쌍성계 - 외계 생명체 존재 가능성을 높이다!

쌍성(Binary star)은 두 개의 다른 별들이 중력(질량) 중심 주위를 타원 운동 즉 공전하는 쌍둥이별이라고도 하는 천체입니다. 쌍성은 지구에서 먼 거리에 있을 때 하나의 항성으로 여겨졌다가 나중에 쌍성으로 밝혀지는 경우도 있습니다. 쌍성계를 구성하는 두 개의 별을 밝기에 따라 주로 각각 주성, 반성으로 부릅니다.

지난 2세기 동안의 관측에서 육안으로 볼 수 있는 별의 절반 이상이 쌍성일 가능성이 제시되고 있습니다. 보통 밝은 쪽의 별을 주성, 어두운 쪽을 동반성이라고 부릅니다. 또한 , 3개 이상의 별이 서로 중력적으로 묶여 궤도 운동을 하는 계도 있는데, 이러한 경우 n연성, 또는 n중연성 등으로 불립니다.

또한 이중성이라는 단어도 연성을 가리키는 경우가 많으나 실제로는 여러 개의 항성이 지구에서 볼 때 같은 방향에 위치하여 '겉으로 보기에 연성처럼 보이는' 경우를 나타냅니다. 각 별의 지구로부터의 거리는 전혀 다르며, 물리적으로도 아무런 연관성이 없습니다. 이중성은 거리가 다르기 때문에 광도의 차이로 연주기 시차나 시선속도를 정확하게 구할 수 있지만 알비레오처럼 이중성인지 진정한 쌍성인지 알 수 없는 것도 있습니다.

 

연성 개요

연성은 궤도 계산을 통해 간접적으로 항성의 질량을 구할 수 있기 때문에 천체 물리학에서 매우 중요한 존재입니다. 또한 질량으로부터 반경, 밀도 등의 다른 파라미터도 얻을 수 있습니다. 또한 이 관측은 단일 별의 질량 - 광고 관계(MLR)를 분석하는 데도 도움이 됩니다.

 

연성은 대부분 망원경 등의 광학적인 방법으로 두 별이 분리되어 관측되며, 두 별이 공전 운동을 하는 것이 확인되고 있습니다. 이러한 연성을 실시연성(visual binary)이라고 합니다. 그러나 대부분의 가시연성들은 동반성이 주성 주위를 공전하는데 수백 년에서 수천 년의 시간이 걸립니다. 따라서 궤도 요소에 관해서는 아직 밝혀지지 않은 점이 많습니다. 또한 망원경을 사용해도 분리할 수 없을 정도로 근접한 연성은 천체측정법이나 스펙트럼의 도플러 효과 등 간접적인 방법으로 발견합니다. 이러한 연설들을 분광연성이라고 합니다. 분광연성은 별의 궤도면이 천구면에 대해 크게 기울어져 있어 두 별이 태양계에서 볼 때 가까워지거나 멀어지기 때문에 그 스펙트럼선을 지속적으로 조사하면 규칙적인 주기로 푸른색 쪽으로 어긋나거나 붉은색 쪽으로 어긋난다. 분광연성에서는 스펙트럼선의 시간적 변화를 관찰함으로써 별의 질량을 결정할 수 있습니다. 그리고 연성 중에는 동반성이 주성 앞을 일식처럼 가로질러 연성계 전체의 광고를 주기적으로 변화시키는 것도 있습니다. 이러한 연성은 식연성(eclipsing binary)이라고 합니다.

 

주성과 동반성이 매우 근접해 있는 경우, 서로의 중력에 의해 동반성의 모양이 평평하게 변화는 경우가 있습니다. 이런 연성을 근접연성(close binary)이라고 하며, 양쪽 별의 질량이 변할 때가 있습니다.

 

연성(binary star)이라는 단어는 1802년 윌리엄 허셜에 의해 처음 만들어진 것으로 알려져 있는데, 1780년 허셜은 700개 이상의 이중성에 대해 별들 간의 이격각과 위치를 측정했습니다. 그 결과, 그중 약 50대가 20년의 관측 기간 동안 위치를 바꾸며 서로 궤도 운동을 하는 연성임을 발견했습니다.

또한, 아무것도 없는 공간 주위를 돌고 있는 것처럼 보이는 별들도 몇 개 발견되었습니다. 위치천문학적 연성이라고 불리는 연성은 이런 천체의 한 예입니다. 이 천체는 비교적 두 별의 거리가 가까운 연성으로, 한 점을 중심으로 흔들리는 듯한 운동을 보이지만 동반별이 보이지 않는 것입니다. 분광연성 중에도 앞뒤로 움직이는 스펙트럼 선이 한 쌍만 존재하는 것이 있습니다. 이런 경우에도 일반 연성에서 사용하는 것과 같은 방법을 사용하여 보이지 않는 동반별의 질량을 추정할 수 있습니다. 이러한 연성에서 동반성이 보이지 않는 것은 동반성이 매우 어두워 주별의 밝기에 묻혀서 감지할 수 없거나, 중성자별처럼 가시광선을 거의 방출하지 않는 천체일 수 있기 때문입니다. 경우에 따라서는 보이지 않는 동반성이 블랙홀인 경우도 있습니다. 이런 예로는 백조자리 X-1이 있습니다. 이 연성계의 보이지 않는 동반성의 질량은 태양의 약 9배에 달합니다. 보통 보이지 않는 동반성 후보 천체로는 중성자별도 생각할 수 있지만, 이 질량은 중성자별의 질량 상한선보다 훨씬 무겁기 때문에 블랙홀일 가능성이 매우 높은 것으로 여겨지고 있습니다. 또한 태양계 외계행성 탐색도 연성 보이지 않는 동반성과 같은 방식으로 이뤄지는 경우가 많습니다. 

 

연성은 천문학자들이 원거리 항성의 질량을 직접 측정할 수 있는 주요 방법 중 하나이기 때문에 특히 중요합니다. 연성은 두 별이 서로 끌어당기는 중력에 의해 서로 돌고 있습니다. 실시연서에서는 궤도의 형태를 관찰하고, 분광연성에서는 스펙트럼선의 시간적 변화를 관찰하여 별의 질량을 결정할 수 있습니다.

많은 별들이 연성계를 이루며 존재하기 때문에 연성은 우리가 별이 형성되는 과정을 이해하는데에도 중요한 존재입니다. 특히 연성의 주기와 질량을 알면 연성계의 각운동량의 크기를 알 수 있습니다. 각운동량은 보존량이기 때문에 연성계의 각 운동량은 그 별이 탄생한 시점의 상황에 대한 중요한 단서를 담고 있습니다.

 

연성 분류

현재 연성들은 그 관측적 속성에 따라 네 가지 유형으로 분류됩니다.

• 실시연성 (visual binary)
• 분광연성 (spectroscopic binary)
• 식연성 (eclipsing binary)
• 위치 천문학적 연성 (astrometric binary)

이 분류에서 두 개 이상의 별을 아우르는 별도 종종 존재합니다. 예를 들어, 분광쌍성 중 일부는 식쌍성이기도 합니다. 

또한, 별들 사이의 거리가 두 별의 반지름의 몇 배 정도의 스케일까지 가까워진 연성들은 근접연성이라고 부릅니다. 연성과 같은 두 체계를 공전 주기에 동기화된 회전 좌표로 보면, 두 별을 중심으로 한 눈물방울 모양의 등전위면이 존재합니다. 두 눈물방울의 뾰족한 점들은 이 두 체계의 라그랑주점 L1에서 접하고 있습니다. 이 면으로 둘러싸인 영역을 로슈로브라고 부릅니다. 근접연성계의 별이 진화하여 거성이 되면 별 본체가 팽창하여 로슈 로브를 채우고, 결국 별의 가스가 로브에서 흘러나와 상대편 별에 정착 하는 등의 현상이 일어나며, 이는 신성과 초신성과 같은 다양한 활동 현상의 근원이 됩니다. 근접연성은 별 사이의 거리에 따라 다음 세 가지로 분류됩니다.

• 분리형 연성 (detached binary)
• 반분리형 연성 (semi-detached binary)
• 접촉 연성 (contact binary)

연성 관련 연구 성과

허셜 이후 약 200년 동안 연성계에 대한 다양한 연구가 진행되어 몇 가지 일반적인 특성이 밝혀졌습니다.

항성 중 적어도 약 1/4는 연성계로 여겨지고 있습니다. 또한 연성계 중 약 10%는 삼연성 등 3개 이상의 항성으로 이루어진 시스템입니다.

연성의 궤도 주기와 궤도 이심률 사이에는 직접적인 상관관계가 있으며, 주기가 짧은 연성에 서는 궤도 이심률이 작으며 연성에서 두 별의 거리는 가까운 것부터 먼것까지 다양합니다. 가까운 것은 서로 별의 표면이 접촉하는 것도 있습니다. 먼 것은 매우 멀리 떨어져 있지만 천구상의 두 별의 고유 운동 값이 같다는 점에서 두 별이 중력적으로 묶여 있다는 것을 간신히 알 수 있는 것까지 존재합니다. 연성의 궤도 주기는 대수 정규분포를 따르며, 주기가 약 100년 정도인 연성이 가장 많습니다.

연성의 두 별의 밝기가 같은 경우에는 그 스펙트럼 형태도 동일합니다. 밝기가 다른 연성에서는 밝은 쪽의 별이 거성일 경우 어두운 쪽의 별은 더 푸른 스펙트럼 유형에 속하고 , 밝은 쪽이 주계열성일 경우 어두운 쪽의 별은 더 붉은 스펙트럼 유형에 속합니다.

 

최근 서로 다른 궤도를 공전하는 쌍성계를 첫 관측을 했는데, 칠레 알마(ALMA) 천문대에서 지구에서 약 480광년 떨어진 XZ 타우리 쌍성계를 이루는 두 별과 각 원시 행성계 원반의 독특한 궤도운동을 이미지화해서 홈페이지에 발표했습니다.

일본의 천문학 연구팀은 알마 전파 망원경이 XZ 타우리를 3년간 관측한 데이터를 기반으로 이미지를 구현했으며 각 원시 행성계 원반의 궤도면 각도가 제각각이라는 사실을 밝혀냈습니다.