방출성운

방출성운은 가시광에서 빛을 방출하는 전리된 성간물질이다. 온도가 수만도 이상인 뜨거운 별은 많은 양의 자외선을 방출하여 주변에 있는 성간물질을 전리시킬 수 있다. 전리된 기체는 전자와 재결합하면서 가시광에서 빛을 방출하며 방출성운으로 밝게 빛난다. 방출성운의 질량은 태양질량의 @@NAMATH_INLINE@@\sim10^2-10^4\,@@NAMATH_INLINE@@배, 지름은 @@NAMATH_INLINE@@\sim 0.1-10^2\rm\,@@NAMATH_INLINE@@광년, 평균 온도는 @@NAMATH_INLINE@@\sim10^4\rm\,K@@NAMATH_INLINE@@에 이른다. 방출성운은 중심에 있는 자외선을 방출하는 별의 종류에 따라 크게 HII영역(HII region)과 행성상성운(planetary nebula)으로 나뉜다.

목차

분광형이 O형 또는 B형인 젊고 무거운 별에 의해 전리된 방출성운을 HII영역이라고 한다. 이러한 별의 표면온도는 @@NAMATH_INLINE@@\sim25000−55000\rm\,K@@NAMATH_INLINE@@에 이르는데, 수소를 전리시킬 수 있는 자외선을 1초당 약 @@NAMATH_INLINE@@10^{49}-10^{50}@@NAMATH_INLINE@@개씩 방출한다. 자외선을 흡수한 수소 원자는 거의 즉각적으로 전자를 잃어버리고 양성자로 변한다. 성운을 떠돌던 양성자는 주변을 지나가는 자유 전자를 포획하여 다시 수소 원자로 재결합한다. 양성자와 재결합하는 전자는 빛을 생성하는데, 생성된 빛의 에너지는 전자가 재결합 전후에 가졌던 에너지의 차이와 같다.

재결합하는 전자는 약 반반의 확률로 주양자수가 @@NAMATH_INLINE@@n=1@@NAMATH_INLINE@@인 바닥 상태(ground state)로 재결합하거나, @@NAMATH_INLINE@@n\geq2@@NAMATH_INLINE@@인 들뜬 상태(excited state)로 재결합한다. 전자가 곧장 바닥 상태로 재결합하는 경우에 생성된 빛은 인접한 수소 원자에 쉽게 흡수되어 그 수소를 전리시킬 수 있다. 따라서, 전체적으로 보았을 때 바닥 상태로의 재결합은 사실상 재결합이 아니다. 반면, 들뜬 상태로 재결합하며 생성된 빛은 방출성운을 쉽게 빠져나간다. 이러한 빛은 연속스펙트럼을 형성하며 넓은 파장에 걸쳐 분포하므로 세기가 약하다.

들뜬 상태로 재결합한 전자는 다단 전이(cascade)로 바닥 상태로 내려오는데, 이 과정에서 생성된 수 많은 재결합선(recombination line)은 성운으로부터 방출된다. 수소의 방출선 가운데 가시광에서 가장 강한 스펙트럼선은 H알파(Hα)선이라고 불리는 수소의 발머선(Balmer line)이다. H알파선의 파장은 6563Å이며 HII영역을 붉게 보이게 만든다. H알파선 보다는 약하지만 파장이 5007Å인 [OIII] 금지선(forbidden line), 6716, 6731Å인 [SII] 금지선도 비교적 강하다. 금지선은 양자역학의 통상적인 선택규칙을 만족하지 않아 천이가 금지된 것으로 알려져 있지만, 특별한 상황에서는 천이가 허용되는 약한 선 스펙트럼(line spectrum)을 말한다.

HII영역은 수명이 짧은 무거운 별 주변에 형성되므로 은하에서 현재 일어나는 별생성의 지표가 된다. 그림 1은 대표적인 HII영역인 장미성운(Rosette nebula)의 모습을 보여주는데, 붉은색, 녹색, 파란색은 각각 H알파선, [OIII]선, [SII]선을 나타낸다.

그림 1. 장미성운. 붉은색, 녹색, 파란색은 각각 수소, 산소, 황 원소로부터 방출된 빛을 나타낸다. 장미성운의 중심 근처에 있는 별들은 산개성단 NGC 2244의 구성원으로 17개 이상의 OB형 별을 포함하고 있으며 장미성운을 전리시켜 밝게 빛나도록 만든다.(출처: )

질량이 작은 별은 진화의 마지막 단계에서 외곽부 기체를 바깥으로 방출시키고 뜨거운 중심핵을 남긴다. 중심핵의 온도는 초기에는 수십만도에 이르는데 시간이 지나며 점점 식어 수만도의 백색왜성으로 진화한다. 중심핵은 태양보다 수십만 배 밝지만 온도가 높아 대부분의 복사를 가시광이 아닌 자외선에서 방출한다. 중심핵에서 방출된 자외선은 바깥쪽에서 팽창하는 외곽부 기체를 전리시킨다. 전리된 기체는 자유전자와 재결합하며 방출선을 방출하면서 밝게 빛난다. 이렇게 중심핵 또는 백색왜성에 의해 전리되어 밝게 빛나는 외곽부 기체를 행성상성운이라고 한다. 행성상성운은 수소 발머선 외에도, 전리된 헬륨선, [OIII] 금지선 등도 방출한다. 그림 2는 대표적인 행성성성운인 고양이눈성운(Cat's Eye nebula)의 허블우주망원경 영상이다.

그림 2. 고양이눈성운. 표면온도가 @@NAMATH_INLINE@@\sim80000\,\rm K@@NAMATH_INLINE@@, 질량이 태양질량의 @@NAMATH_INLINE@@\sim5\,@@NAMATH_INLINE@@배, 반지름이 태양반지름의 @@NAMATH_INLINE@@\sim0.65\,@@NAMATH_INLINE@@배인 중심별에서 방출된 자외선이 성운을 전리시킨다. 성운의 팽창속도는 약 @@NAMATH_INLINE@@16\rm\,km\,s^{-1}@@NAMATH_INLINE@@이다. 바깥쪽에 존재하는 많은 동심원 무늬는 진화 후반기에 일어난 별의 질량 방출이 약 1500년의 주기로 이루어졌음을 시사한다. 오른쪽-위에서 왼쪽-아래로 향하는 대각선 방향의 직선 구조물은 쌍성계를 이루는 중심별에서 방출된 제트가 세차운동을 겪어 만들어진 것으로 추정된다.(출처: )