별의 밝기와 색깔을 알아보기 또한 스펙트럼의 비밀

[별의 밝기와 색깔]

처음으로 별의 밝기를 정량적으로 다루었던 사람은 알렉산드리아 시대의 히파르코스와 프톨레마이오스였다. 그들은 별의 밝기를 6등급으로 나누고 가장 밝은 별을 1등성이라고 했으며 가장 희미하게 보이는 별을 6등성이라고 하였다. 하늘의 별들은 금방 눈에 들어오는 밝은 별에서부터 맨눈으로 는 보이지 않는 희미한 별까지 밝기가 매우 다양하다. 예전부터 별을 관찰해 온 사람들에게는 이 별의 밝기와 별의 색깔이 어떤 별을 특정 지워주는 가장 중요한 자료가 되었다. 그래서 사람들은 별 들의 밝기에 많은 관심을 가져왔다. 따라서 하늘에 보이는 별 중에서 가장 밝은 별이 1등성이고 어두워서 겨우 눈에 보이는 별들이 6등성이다. 6등성보다 더 어두운 별들은 맨눈으로는 보이지 않기 때문에 망원경을 이용해야만 관찰할 수 있다. 처음에는 1등성에서 6등성까지만 구분했지만 맨눈으로 관측이 불가능했던 별들이 망원경의 도움으로 관측이 가능해지자 별의 밝기는 이에 맞추어 높은 숫자를 가지게 되었다. 망원경으로 관측이 가능한 별 중에는 23.5등성도 있다. 또한 태양이나 보름달과 같은 이 1등성보다 밝은 별도 이 스케일에 의해 계산하면 음의 등급을 갖게 되는데 태양은 -26.7등성, 보름달은 -11등성에 해당한다. 1850년 영국의 천문학자 포그슨(N.R. Pogson)은 망원경을 이용하여 알렉산드리아 시대에 1등성이라고 구별되던 별과 6등성이라고 구별되던 별의 밝기 차이가 100배라는 사실을 밝혀냈다. 그는 5등급의 차이가 100배의 밝기를 나타내게 하기 위해서는 한 등급의 밝기 차이는 약 2.512배로 하면 된다고 생각하였다. 따라서 1등성은 2등성보다 약 2.5배 더 밝고, 2등성은 3등성보다 약 2.5배 더 밝다. 그러나 이러한 겉보기 밝기는 실제 별의 밝기가 아니다. 따라서 별의 실제 밝기를 비교하기 위해서는 별을 같은 거리에 가져다 놓고 보아야 할 것이다. 인간은 별을 마음대로 옮겨 놓을 수 있을 만큼 전능하지는 않지만, 같은 거리에 옮겨 놓았을 때 얼마나 밝게 보일까를 계산할 수 있는 지혜는 가지고 있다.

최근에는 우리가 눈으로 볼 수 없는 적외선, 자외선, X선, 전파와 같은 빛도 천체 관측에 사용되고 있다. 전자기파 중에서 우리 눈으로 감지할 수 있는 가시광선은 아주 좁은 영역에 속한다. 따라서 가시광선만으로는 제한된 정보만 얻을 수 있다. 가시광선이 아닌 이러한 여러 가지 전자기파를 이용함으로써 우리는 우주에 대해 훨씬 많은 정보를 얻을 수 있게 되었다.그래서 천문학자들은 거리가 알려진 별을 32.6광년(10파섹)의 거리에 옮겨 놓았을 때 얼마나 밝게 보일까를 계산하여 그 결과를 등급으로 표시하고 이것을 절대등급이라고 하기로 하였다. 이에 대하여 별들의 겉보기 밝기를 실시등급이라고 한다. 실시등급이 -26.7인 태양은 절대등급이 4.8로 어두운 별에 속한다. 지금까지 살펴본 대로 우리에게 가까이 있는 별들도 실제로는 매우 먼 거리에 있다. 그러나 우리는 그렇게 먼 거리에 있는 별들에 대해 생각보다 많은 사실을 알고 있다. 별들에 대한 이런 사실 은 별에서 오는 스펙트럼을 분석함으로써 얻을 수 있다. 따라서 우리는 빛이 날라다 준 정보를 통해서 우리 우주를 이해하고 있는 셈이다. 빛이 날라다 준 우주 이야기는 언제 들어도 우리를 신비의 심연 속으로 빠져들게 한다.
가시광선이 아닌 전자기파를 이용하여 본 우주의 모습은 눈으로 보는 모습과는 매우 다르다. 우리가 기대했던 모습과 다르다고 해서 실망하고 돌아서서는 안 된다. 우리 눈에 보이는 것이 우주의 참모습인지 아니면 X선으로 본 우주의 모습이 참모습인지 곰곰이 생각해 보아야 할 것이다. 가시광선이 아닌 전자기파도 또 다른 형태의 빛이다. 

 

[스펙트럼에 숨겨진 비밀]
비가 온 후에 햇빛이 나면 아름다운 무지개를 볼 수 있는데 이것은 공기 중에 떠 있는 수증기가 빛을 분산시켜 나타나는 현상이다. 이렇게 분산된 빛을 스펙트럼이라고 하는데 스펙트럼을 분석하면 빛을 내는 물체에 대하여 많은 것을 알 수 있다.모든 물체는 온도가 높아지면 빛을 낸다. 이 빛에는 많은 다른 파장의 빛이 섞여 있는데 이런 빛을 프리즘이나 분광기를 이용하면 단색광의 빛으로 분산시킬 수 있다. 우선 스펙트럼 분석으로 빛을 내는 물체의 온도가 어느 정도인지를 알 수 있다. 온도가 낮은 물체는 붉은색으로 보이고 온도가 높아지면 푸른색으로 보인다는 것은 우리가 평소의 생활에서 익히 알고 있는 사실이다. 따라서 한 가지 원소는 특정한 형태의 선스펙트럼을 이루게 된다. 그뿐만 아니라 같은 산소 분자라고 해도 그것이 자유 원자로 있을 때와 분자를 형성하고 있을 때, 그리고 이온 상태로 있을 때 내는 스펙트럼이 다르다. 그러므로 물체에서 나오는 빛의 스펙트럼을 조사하면 빛을 내는 물체의 성분은 물론 그 원소가 어떤 상태에 있는지도 알 수가 있다. 이런 원리는 실험실에서의 물질 분석에도 많이 쓰이고 있다. 스펙트럼의 분석으로 알 수 있는 다른 중요한 정보는 빛을 내는 물체가 무슨 원소로 이루어져 있으며 그 원소들이 어떤 상태에 있느냐 하는 것이다. 물체에서 나오는 빛은 빛을 내는 물체의 종류에 따라 서로 다른 파장의 빛을 내기 때문이다. 예를 들어 수소는 모든 파장의 빛을 내는 것이 아니라 몇 가지 파장의 빛만을 낼 수 있다. 또한 물체의 온도가 낮으면 빛을 흡수하게 되는데 이때도 모든 빛을 흡수하는 것이 아니라 자신이 높은 온도에서 내는 빛만을 흡수한다. 따라서 차가운 기체에 의해 어떤 파장의 빛이 흡수되었나를 조사하면 흡수한 물체의 조성도 알아낼 수 있다. 이러한 스펙트럼을 흡수 스펙트럼이라고 한다.