별의 나이는 어떻게 알아낼까?

우주 최고령 별인 므두셀라 별. 136억 살이 넘는다. 처녀자리 옆 천칭자리 방향으로 약 190광년 떨어진 곳에 위치하고 있다.(출처=Digitized Sky Survey (DSS)

​무거운 별일수록 수명은 짧아진다

별이 영원의 상징처럼 보이는 것은 그 장대한 수명 때문이다. 인간은 기껏 살아야 100년을 못 넘지만, 태양 같은 별은 100억 년을 거뜬히 산다.

별은 질량이 작을수록 오래 살 수 있다. 무거운 별은 중심핵의 압력이 매우 커서 수소를 작은 별보다 훨씬 빨리 태우기 때문에 질량이 큰 별일수록 수명은 기하급수적으로 짧다.

대략 질량이 태양의 5배, 10배 정도인 별은 수명이 길어야 1억 년, 짧으면 3000만 년이다. 하지만 질량이 태양의 반이면 500억 년 이상, 10분의 1 정도이면 5000억 년이나 빛날 수 있다. 적색왜성처럼 질량이 작은 별은 연료를 매우 느리게 태우므로 수백억 년에서 수천억 년까지 산다. 인간의 척도로 보면 거의 영원이라 할 만하다.

우리은하 내 별들의 나이는 대부분 1억 살에서 100억 살 사이이다. 일부 별은 우주의 나이와 비슷한 137억 살에 근접하기도 한다.

현재까지 우주에서 가장 나이 많은 별로 밝혀진 것은 136억 살이 넘는 7.2등급 므두셀라(Methuselah)라는 별이다. 공식 명칭이 HD 140283으로 불리는 이 별은 처녀자리와 전갈자리 사이에 자리잡은 황도 제7자리인 천칭자리 방향으로 약 190광년 거리에 있다. 표면온도가 약 5500℃로 태양과 거의 비슷한 이 별은 현재 초속 169㎞의 속도로 지구 쪽으로 가까워지고 있으며, 동시에 우리은하 속을 초속 361㎞의 속도로 이동하고 있다.

이 별을 항성에 포함된 금속의 양과 표면온도 수치로 계산한 결과, 미국항공우주국(NASA)은 우주 초창기에 형성된 최고령의 이 별에 성경에서 가장 장수한 인물로 나오는 므두셀라를 가져와 ‘므두셀라 별'(Methuselah star)이라는 별명을 붙였다.

별의 색깔과 구성 원소비 분석으로 나이 측정

잘 알려진 별들의 겉보기 색과 크기. 태양(Sun)은 가운데 점이다. 별은 클수록 수명이 기하급수적으로 줄어든다.(출처=wiki)

그렇다면 천문학자들은 이 같은 별의 나이를 대체 어떻게 알아내는 걸까?

과학적으로 별의 나이를 측정하는 방법은 크게 두 가지가 있다. 별의 색을 분석하는 방법과 별빛의 스펙트럼을 분석하는 방법이 그것이다. 별의 색은 붉은색을 띠는 것일수록 온도가 낮으며, 무거운 원소를 많이 포함하고, 나이가 많은 것으로 해석된다. 푸른색은 그 반대다. 별은 태어난 처음에는 청색 계열의 색상을 지니고 있지만, 늙어감에 따라 점차 흰색, 황색, 주황색, 붉은색 순으로 바뀐다.

항성이 태어날 때의 구성비는 대체로 70%의 수소, 28%의 헬륨, 그리고 나머지 2%는 헬륨 이후의 중원소로 되어 있다. 무거운 원소의 비율은 통상적으로 항성 상층부 대기 내에 포함된 철의 함유율로 표시하는데, 이는 철이 상대적으로 흔한 원소이자 스펙트럼상의 흡수선이 강하게 나타나서 측정하기 쉽기 때문이다.

​별의 분류에는 매우 뜨거운 O형부터 상층 대기에 분자가 생성될 수 있을 정도로 차가운 M형까지 스펙트럼에 따라 항성을 나누는 여러 기준이 있다. 가장 많이 쓰이는 분류 기호는 O, B, A, F, G, K, M으로, 표면 온도가 뜨거운 것에서 차가운 순서에 따라 7개로 구별한 것이다. 우리 태양은 G2형의 노란색 별이다.

스펙트럼 분석법은 별의 구성성분을 통해 나이를 분별하는 방법이다. 생성된 후 얼마 지나지 않은 별에는 수소(H) 성분이 많고, 시간이 흐르면 헬륨 성분이 많아진다는 점을 고려한 것이다. 특히 산소나 철, 칼슘, 규소 등 산소보다 무거운 원소들의 존재가 다량 확인된다면 이는 사실상 생명이 거의 다해가는 별이라고 할 수 있다.

별의 최후는 그 질량에 따라 나누어지는데, 태양처럼 작은 별은 백색왜성으로 짜부라드는 반면, 태양보다 10배 이상 무거운 별은 장대한 초신성 폭발로 생을 마감한다.

이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com