[비즈한국] 하늘에 알록달록한 별들이 있다. 빛은 온도에 따라 빨주노초파남보, 각기 다른 파장, 색깔을 가진다. 별마다 온도가 다르기 때문에 이런 다양한 색깔로 빛난다. 그런데 잘 보면 뭔가 어색하게 느껴진다. 분명 무지갯빛 스펙트럼에는 존재하는데 밤하늘에서는 찾아볼 수 없는 색이 하나 있다. 초록색이다. 하늘에 빨간 별, 노란 별, 파란 별은 모두 있지만 초록색 별만은 존재하지 않는다. 초록색은 별의 세계에서는 존재할 수 없는 색으로 알려져 있다.
그런데 최근 그 상식을 깬 흥미로운 주장이 발표되었다. 사람의 눈으로 봤을 때 충분히 초록색으로 보일 수 있는 별이 있다는 것이다. 심지어 분홍색, 보라색 별도 가능하다. 대체 왜 천문학자들은 초록색 별이 존재할 수 없다고 이야기했던 걸까? 그리고 갑자기 왜 초록색 별이 나타난 걸까?
일단 왜 초록색 별이 없다고 하는지부터 살펴보자. 태양 같은 별의 색은 대체로 표면 온도로 결정된다. 미지근한 별은 붉고 주황빛을 띠고, 더 뜨거워지면 흰색에 가까워졌다가 푸른색을 띤다. 그 이유는 별이 완벽하진 않지만 거의 이상적인 흑체로서 빛을 발산하기 때문이다.
흑체가 방출하는 빛의 스펙트럼은 넓은 파장에 걸쳐 연속적으로 분포한다. 온도에 따라 가장 많은 에너지를 발산하는 파장은 달라지지만, 그 피크 점에 해당하는 파장의 빛만 방출하는 게 아니다. 그 양옆의 더 짧은 파장, 더 긴 파장의 빛도 함께 방출한다.
태양도 사실 파장에 따라 얼마나 강한 에너지의 빛을 방출하는지 그려보면, 가장 높은 피크점은 초록색 파장 부근에 놓인다. 그런데 태양은 초록색으로 보이지 않는다. 초록색보다 파장이 살짝 짧고 긴 파란색과 빨간색 빛도 그에 견줄 만큼 많이 나오기 때문이다. 우리 눈은 이 빛을 모두 함께 받아들인 결과를 색으로 느낀다. 초록색과 빨간색, 파란색이 모두 혼합되면 초록색이 아니라 하얀색이 된다. 눈에서 색깔을 인식하는 세 가지 원뿔세포가 이 삼원색의 빛을 인식하고, 뇌는 그것을 합쳐서 전체적인 색을 만들어낸다.
그래서 별의 온도를 바꿔가면서 색깔을 비교하면, 붉은색에서 초록색이 아닌 흰색을 거쳐 푸른색으로 변한다. 별이 초록색으로 보이려면 양옆의 붉은 파장과 푸른 파장에서는 일체 빛을 내지 않고, 딱 초록색 파장에서만 빛이 뾰족하게 나와야 한다. 원자가 빛을 방출하는 방출선 같은 형태라면 가능하다. 산소 분자가 대표적으로 녹색 파장의 빛만 골라서 방출하기 때문에 극지방에서 녹색 오로라를 볼 수 있다. 하지만 넓은 파장에 걸쳐 부드럽게 골고루 빛을 내보내는 별과 같은 흑체 복사라면 불가능하다. 그렇게 생각해왔다.
만약 별의 대기가 특정 파장의 빛만 강하게 흡수한다면 이야기가 달라질 수 있다. 원래라면 붉은색, 푸른색, 초록색 빛이 모두 섞여서 하얀색 빛으로 보여야 하지만, 그 중에서 붉은색과 푸른색 빛만 다시 흡수당한 바람에 초록색 빛만 살아남을 수 있다. 특히 태양과 같은 별이 진화를 마치고 남긴 찌꺼기 백색왜성 같은 상황에서는 이런 특별한 조합이 가능하다.
강한 중력 아래 놓인 백색왜성의 대기는 아주 높은 밀도로 조밀해진다. 특히 충분히 식은 헬륨 대기에서는 입자들이 빼곡하게 채워지고, 그 안에 조금 섞인 다른 원소들과 강하게 상호작용한다. 물론 일반적인 별에서도 대기 속 원소는 특정 파장의 빛을 흡수한다. 스펙트럼에 어두운 흡수선을 남긴다. 하지만 흡수선이 비교적 좁다면, 눈에 보이는 별의 전체 색에는 큰 영향을 주지 못한다.
그런데 일부 백색왜성에서는 이 흡수선이 넓은 파장에 걸쳐 퍼진다. 그러면 별빛의 전체적인 색 조합이 달라지고, 단순히 온도만으로 예상할 수 없는 독특한 빛깔을 만들어낼 수 있다.
이번 연구는 백색왜성에서 새어나오는 빛과 또 흡수되는 빛을 분석해 인간의 색감각과 직접 연결했다. 어떤 파장의 빛이 새어나올지 정교하게 계산하고, 그 빛을 인간의 눈으로 본다면 어떻게 보일지를 분석했다. 따라서 엄밀하게 말해서 실제 녹색 빛을 내는 별을 사진으로 찍은 건 아니다. 단지 그 별을 가까이서 눈으로 본다면 어떻게 보일지를 재현한 연구다.
그 주인공은 WD J1330+6435이다. 표면의 유효 온도는 약 4240K(켈빈)이다. 태양보다 살짝 미지근한 백색왜성이다. 이 별의 헬륨 대기에는 나트륨과 칼륨 원소가 섞여 있다. 백색왜성 대기에서 발견되는 이런 무거운 원소는 대체로 주변 행성에 남아 있던 암석 물질이 별에 잡아먹히면서 남은 흔적으로 추정된다.
보통은 강한 중력 때문에 이런 무거운 원소는 대기 아래로 가라앉는다. 그런데 별이 지금까지 주변에 남은 소행성 찌꺼기까지 싹싹 긁어 먹고 있다면, 계속 새로운 물질이 유입되면서 지금까지도 별 표면에서 이런 무거운 원소가 많이 남아 있을 수 있다. 보통 나트륨은 589nm 부근 노란 빛을 흡수한다. 조밀한 대기에서는 주변 입자들과 상호작용하면서 흡수선이 더 넓어지고, 주황색 쪽까지 강하게 흡수할 수 있다. 이를 압력 선폭 증가(pressure broadening)라고 한다. 칼슘은 보라색 쪽 빛을 갉아먹는다. 그 결과 이 별빛의 스펙트럼 속 색깔의 비율이 달라지고, 전체적으로 테니스 공 같은 연두색을 띠게 된다. 100% 완벽하게 초록색 빛만 나오는 건 아니다. 주황색과 보라색이 거의 사라지고, 남은 빛이 함께 섞이면서 은은한 초록색이 감도는 연두색에 가까운 빛으로 보이게 된다.
비슷한 방식으로 분홍색 별도 가능하다. 또 다른 백색왜성 WD J0902+2010은 탄소가 중요한 역할을 한다. 차가운 백색왜성의 헬륨 층에서 깊게 대류가 발달하면서 내부에 가라앉아 있던 탄소가 바깥 대기까지 섞여 올라올 수 있다. 그 탄소 중 일부는 높은 밀도 속에서 원자 두 개가 결합한 C₂가 되는데, 이 분자는 일명 스완 밴드(Swan bands)라고 불리는 넓은 파장에 걸친 흡수선을 만든다. 탄소를 많이 머금은 혜성의 스펙트럼에서도 두드러지는 특징이다. 특히 백색왜성 대기의 높은 밀도는 이 흡수선 밴드의 위치와 형태를 바꾼다. 그 결과 또 별빛의 혼합 비율이 달라지면서 옅은 보라색, 분홍색으로 보일 수 있다.
심지어 또 다른 백색왜성 WD J1011+2845은 탄소 분자의 강한 흡수선 때문에 가시광선 가운데 짧은 파장 쪽 빛이 크게 줄어들면서 짙은 연어 색깔 분홍색으로도 보일 가능성이 있다.
이처럼 별빛의 색깔은 단순히 표면의 온도뿐 아니라, 표면 대기를 이루고 있는 성분에 따라서도 크게 달라진다. 일반적인 평범한 별의 대기는 밀도가 높지 않아 흡수선이 있어도 큰 영향이 없지만, 백색왜성처럼 극단적으로 밀도가 높은 별에서는 영향이 커진다. 그래서 새어나오는 빛뿐 아니라 갉아 먹힌 흡수된 빛도 전체적인 색 배합에 큰 영향을 준다. 어떤 색의 빛이 나오는지뿐만이 아니라 어떤 빛이 사라졌는지에 따라 만들어지는 빛의 칵테일 색깔이 완전히 달라진다.
백색왜성은 의외로 단순히 하얗기만 한 별이 아니다. 심지어 하나의 별이 두 얼굴을 가질 수도 있다. 가장 극단적인 사례가 2023년에 알려진 일명 야누스 별이다. 1300광년 떨어진 곳에서 3만 5000K으로 빛나고 있는 이 별에는 두 얼굴을 가진 신의 이름이 붙었다.
이 별의 밝기는 아주 빠르게 변했는데, 시간에 따라 스펙트럼의 양상이 달랐다. 어떨 때는 선명한 수소 흡수선이 보였지만, 어떨 때는 헬륨의 흡수선이 나타났다. 이 변화가 고작 15분 주기로 빠르게 반복되었다. 이것은 백색왜성 표면 대기가 빠르게 회전하면서, 서로 다른 성질의 얼굴을 번갈아가면서 보여주기 때문이다.
추가 연구를 통해 천문학자들은 별 표면의 대기 한쪽에는 아래 헬륨층을 덮어버릴 정도로 두꺼운 수소층으로 덮여 있지만, 다른 한쪽에는 수소층이 없어 밑의 헬륨층이 드러났기 때문으로 추정한다. 그렇다면 왜 수소층의 두께가 한쪽만 두꺼워졌을까? 자기장이 비대칭해서라고 추정된다. 자기장이 물질의 대류와 이동 양상에 영향을 주면서 이렇게 절반씩 서로 다른 두 얼굴을 지닌 야누스 같은 모습을 만들었을지 모른다.
이처럼 별빛의 색깔은 아주 복잡하고 다양하다. 보통 별빛의 색깔은 그 온도만으로 결정된다고 생각하지만 대기 성분과 밀도, 자기장과 같은 더 세부적인 특징도 그 전체적인 색깔에 영향을 준다. 별빛의 색깔은 이처럼 별의 더 세밀한 사연을 들여다볼 수 있게 해준다. 우주가 아름다운 건 단 별들이 단 하나의 색이 아니라 여러 가지 색으로 함께 빛나고 있기 때문일 것이다. 비록 우주는 전체적으로 보면 끝없는 까만색, 어둠뿐이지만 그 안에서 별들은 자신의 알록달록함을 잊지 않으려 애쓰고 있다. 심지어 핵융합이 모두 끝나고 죽음을 향해가는 과정에서조차 말이다.
참고
https://academic.oup.com/rasti/article/doi/10.1093/rasti/rzag069/8914458?login=true
필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 세종대학교 자유전공학부 조교수로 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 함께 하고 있다. ‘천문학자의 쓸모없음에 관하여’, ‘우리는 모두 천문학자로 태어난다’, ‘우주를 보면 떠오르는 이상한 질문들’ 등의 책을 썼으며, ‘나는 어쩌다 명왕성을 죽였나’, ‘퀀텀 라이프’, ‘UFO’ 등을 번역했다.