색등급도

색등급도는 어떤 집단에 속하는 항성들의 색지수와 등급(절대등급 또는 겉보기등급)을 2차원 좌표계에 각각 하나의 점으로 표현한 그래프이다 (그림 1 참조). 색등급도는 헤르츠스프룽-러셀도표(Hertzsprung-Russell diagram, H-R도)와 긴밀한 연관이 있다. 1920년대에 덴마크의 천문학자인 헤르츠스프룽(Ejnar Hertzsprung)과 미국의 천문학자 러셀(Henry Norris Russell)이 각자 독립적으로 고안하여 사용한 H-R도는 각 별의 표면온도(정확히는 유효온도)와 광도를 2차원 좌표계에 하나의 점으로 표현한 도표이다. H-R도는 천문학에서 가장 중요한 도표 중 하나로서 항성의 특성과 진화를 연구하는 데에 매우 유용하게 사용된다. H-R도는 구현하는 형태가 여러가지이다. 모든 형태는 가로 방향으로는 별의 유효온도와 직결된 물리량을 나타내고 세로 방향으로는 별의 광도와 직결된 물리량을 나타낸다. 이론적으로 가장 유용한 형태의 H-R도는 가로축에 유효온도의 로그값을, 세로축에 광도의 로그값을 표시하는 것이다.

항성의 유효온도와 광도는 분광학적으로 결정할 수 있다. 분광관측으로 얻은 항성 스펙트럼의 분광분류로부터 결정할 수 있다. 하버드분광분류법에 따라 결정되는 스펙트럼의 분광형은 유효온도의 직결되는 물리량이고, 여키스분광분류법에 따라 결정되는 광도계급은 광도와 직결되는 물리량이다. 분광형과 광도계급으로부터 유효온도와 광도를 결정하면 H-R도를 그릴 수 있다. 가로축에 유효온도대신 분광형을 표시하는 경우도 있다.

유효온도와 광도는 측광학적으로도 결정할 수 있다. 측광관측에서 얻은 색지수는 유효온도와 직결된 물리량이고, 겉보기등급은 광도와 직결된 물리량이다. 환산과정을 거치면 색지수와 겉보기등급으로부터 유효온도와 광도를 결정할 수 있다. 측광계의 특성을 고려한 환산 관계를 써서 색지수로부터 유효온도를 결정할 수 있다. 또 거리지수를 알면 겉보기등급을 절대등급으로 환산할 수 있으며, 여기에 복사보정(bolometric correction)을 더하면 절대복사등급을 구할 수 있다. 절대복사등급은 광도와 직결된 물리량이다. 이런 구체적인 환산 과정을 생략하고, 그냥 가로축에는 색지수를, 세로축에는 절대등급 또는 겉보기등급을 표시한 도표를 만들 수 있는 데, 이 도표가 색등급도이다. 색등급도는 이론적인 H-R도의 관측적 표현으로서, 종종 관측적 H-R도라고 말한다. 거리가 같은 성단에 속한 별인 경우, 절대등급 대신 겉보기등급을 쓰더라도 의미있게 활용할 수 있는 색등급도가 된다.

그림 1. 히파르코스(Hipparcos) 우주망원경이 관측한 가까운 별들의 색등급도. 가로축 아래쪽은 가시광대역 존슨(Johnson) 필터 시스템의 @@NAMATH_INLINE@@B-V@@NAMATH_INLINE@@ 색지수이며, 가로축 윗쪽에 색지수에 상응하는 분광형을 나타내었다. 세로축 왼쪽은 V 필터 절대등급이며, 오른쪽은 태양에 대한 상대적인 광도를 나타내었다. 주계열과 거성의 분포가 뚜렸하게 보이는데 반해, 어두운 백색왜성은 극소수만 관측되고 있다. (, 이수창 그림 편집)

가로축을 나타내는 물리량으로 별의 분광형은 숫자의 형태가 아니기 때문에 유효온도나 색지수가 주로 사용된다. 관측 측면에서는 색지수가 선호되는 반면 이론적인 모형 계산에서는 유효온도가 선호된다. 색지수는 관측으로부터 직접 얻을 수 있는 물리량이고 유효온도를 알기 위해서는 색-표면온도관계(color-temperature relation)가 필요하다(그림 2 참조). 색-유효온도관계는 중원소함량과 별의 회전 등 어려운 항성 모형 계산이 필요하다. 두 물리량의 변환이 명확한 것이 아니기 때문에 두 물리량 가운데 하나는 1차로 얻으면 두 물리량을 변환해서 사용하는 일은 흔하지 않다. 세로축의 경우도 절대등급과 광도는 복사보정을 알고 있어야 변환이 가능하다. 특히 특정 파장대에 민감한 겉보기등급을 사용할 경우 모든 파장에서의 전체 광도를 관측하는 것이기 때문에 성간물질(interstellar medium)에 의한 성간적색화와 성간소광 등을 고려해야 하는데 이 역시 쉽게 알 수 있는 것이 아니다. 별의 절대등급과 색지수로 도표를 표현하지 않고 별의 광도와 표면온도로 표현하기 위해서는 대수(logarithm) 함수로 표현해야 동일한 형태를 얻을 수 있다. 종종 광도-표면온도로 표현한 도표를 '이론적 헤르츠스프룽-러셀도표'라고 부르고 겉보기등급-색지수로 표현한 도표를 '관측적 헤르츠스프룽-러셀도표'라고 부른다.

그림 2. 색-온도 관계. 별의 색지수를 관측한 다음 성간적색화와 성간소광 등을 보정한 후 모형을 이용해 계산한 별의 표면온도를 구하여 나타낸 것이다. 표면온도가 5800K인 태양과 같은 별의 색지수는 0.62이다.(출처: )