별의 질량과 쌍성

태양은 다른 어떤 별들보다 밝다. 그렇다면 태양의 질량은 다른 별과 비교해 볼 때 어떠할까? 이 궁금증을 해결하기 위해서는 별의 질량을 측정해야 하는데, 별의 질량을 직접 측정하는 것은 쉽지 않다. 다행히도 별의 질량을 측정하는 방법이 있긴 하다. 바로 쌍성 연구를 통해서다. 상성이란 서로 주위를 돌면서 중력에 의해 묶여 있는 별들을 말한다. 이들의 인력을 이용해서 질량을 측정할 수 있는 것이다. 모든 별이 쌍성계는 아니지만, 그래도 많은 별들이 쌍성계에 속하기 때문에 이 연구를 할 수 있다. 

 

 

쌍성의 발견

쌍성은 1650년에 처음으로 발견되었다. 갈릴레오가 망원경으로 하늘을 관측한 지 약 50년 후의 일이다. 그 당시 이탈리아의 천문학자 존 뱁티스테 리치올리는 큰곰자리의 손잡이 중간에 있는 미자르라는 별이 두 개로 보인다는 사실을 지적했다. 그 이후에 수천 개의 별들이 두 개로 보이는 별로 지목되어 쌍성 목록에 추가되었다. 쌍성과 구분해야 할 것은 이중성이 있는데 이건 하늘에서 서로 가까이 위치한 두 개의 별이다. 이들은 물리적으로 연결된 것이 아니고 우연히 같은 시선 방향에 놓이게 된 것이다. 재미있는 사실은 별들이 이렇게 쌍성으로 보이지만, 그중에는 삼중성이나 사중성 계도 존재한다. 

 

쌍둥이자리의 캐스터 

일반적으로 널리 알려진 쌍성은 쌍둥이자리에 있는 캐스터이다. 1804년 천왕성을 발견한 윌링엄 허셜이 캐스터의 흐릿한 성분별이 밝은 성분별에 대해 살짝 위치 변화를 한다는 사실을 알아냈다. 여기서 성분 별이란 쌍성계를 구성하는 각각의 별을 뜻한다. 허셜이 발견한 것은 바로 하나의 별이 다른 하나의 별 주위를 돌고 있다는 분명한 증거가 됐다. 쌍성 크루거 60의 궤도 운동을 보면 이를 명확하게 알 수 있다. 망원경을 두 별을 구별해서 볼 수 있는 쌍성계는 안시 쌍성이라고 부른다. 

 

 

보이지 않는 쌍성

그렇다면 보이지 않는 쌍성도 발견할 수 있을까? 이것은 1889년 하버드대학교의 에드워드 C. 피커링이라는 학자에 의해 발견되었다. 그는 미자르의 스펙트럼을 검토하던 중에 밝은 별의 스펙트럼에 있는 어두운 흡수선이 이중이라는 사실을 발견했다. 천문학자들이 일반적으로 하나를 발견하는 데에서 두 개의 흡수선을 발견했고, 이 두 흡수선의 간격도 계속해서 변화하는 것을 발견했다. 피커링은 미자르의 밝은 성분별 자체가 104일을 주기로 도는 두 개의 별이라는 사실을 정확하게 예측했다. 사진 관측이나 망원경 관측을 할 때에는 한 개의 별로 보이지만, 분광학적으로 쌍성의 별로 보이는 미자르와 같은 별은 분광 쌍성이라고 불린다. 

 

미자르는 그런 별 구조계가 얼마나 복잡해질 수 있는지 보여 주는 좋은 예가 된다. 미자르는 수세기 동안 망원경 없이 볼 수 있는 알코르라는 흐릿한 동방성을 지니고 있다는 사실이 알려졌다. 그런데 미자르와 알코르는 하늘에서는 서로 가깝게 보이지만 서로 궤도 운동을 하지 않는 두 개의 별, 즉 시각적 쌍성이다. 미자르는 망원경으로 보면 서로 궤도운동을 하는 또 다른 근접 성분 별을 가지고 있다. 따라서 미자르는 안시 쌍성이라고 부른다. 안시 쌍성을 이루는 미자르 A와 미자르 B도 모두 분광 쌍성이다. 이를 통해 미자르는 실제로 사중성 구조 계임을 알 수 있다.  

 

 

구체적으로 따져 보면, 쌍성 구조계의 운동을 기술할 때에는 하나의 별이 다른 하나의 별 주위를 돈다고 말하는 것은 맞지 않다. 중력은 서로 작용하는 인력으로, 각각의 별은 서로 다른 별에게 중력을 미치고, 두 개의 별은 각각 그 사이에 위한 질량 중심이라는 한 점을 중심으로 궤도 운동을 하는 것이다. 두 개의 별이 시소의 각 끝쪽에 놓여 있다고 가정해 보면, 시소의 균형을 잡기 위해 지레 받침대가 놓여져야 할 곳이 질량 중심이고 이 점은 항상 질량이 큰 별 근처에 놓인다. 

 

 

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