두 개의 별이 공통 질량 중심 궤도를 도는 쌍성계는 우리 태양과 같은 단독 항성보다 우주에서 훨씬 더 흔합니다. 이 항성 쌍은 항성 진화, 역학, 심지어 이국적인 천체 현상 형성에 대한 귀중한 인사이트를 제공합니다. 이 블로그에서는 쌍성계의 세 가지 주요 측면을 살펴봅니다: 쌍성계 별의 유형, 쌍성계에서의 질량 전달 및 항성 진화, 이국적인 현상을 생성하는 데 있어 쌍성계의 역할.
1. 쌍성 별의 유형: 시각, 분광 및 일식 쌍성
쌍성계는 천문학자들이 이를 감지하고 관찰하는 방식에 따라 여러 가지 종류로 분류됩니다. 세 가지 주요 유형의 쌍성계는 시각 쌍성, 분광 쌍성, 일식 쌍성입니다. 시각적 쌍성은 망원경을 통해 두 별을 개별적으로 분해할 수 있는 시스템입니다. 이러한 시스템은 광범위하게 분리되어 있으며 궤도를 완성하는 데 수십 년 또는 수백 년이 걸리는 경향이 있습니다. 시각적 쌍성의 좋은 예로는 백조자리에 있는 별 알비레오가 있습니다. 망원경으로 볼 때 알비레오는 각각 고유한 스펙트럼 특징과 밝기를 가진 황금빛 노란색과 눈에 띄는 파란색의 두 개의 별로 나타납니다. 알비레오와 같은 시각적 쌍성은 천문학자에게 항성 궤도를 직접 관측하고 궤도 운동을 분석하여 별의 질량을 계산할 수 있는 기능을 제공합니다. 분광 쌍성은 강력한 망원경으로도 두 별이 개별적으로 분해되기에는 너무 가까운 시스템입니다. 대신 천문학자들은 스펙트럼을 통해 이러한 시스템을 감지합니다. 별이 궤도를 이동함에 따라 도플러 효과로 인해 스펙트럼 선이 빨간색(우리에게서 멀어질 때)과 파란색(우리 쪽으로 움직일 때)으로 번갈아 이동합니다. 천문학자들은 이러한 변화를 측정함으로써 두 별의 존재와 궤도 특성을 추론할 수 있습니다. 잘 알려진 분광 쌍성 중 하나는 밤하늘에서 가장 밝은 별인 시리우스입니다. 그 동반자인 시리우스 B는 희미한 백색 왜성으로, 처음에는 시리우스 A에 대한 중력의 영향을 통해 감지되었다가 분광학을 통해 확인되었습니다. 일식 쌍성은 궤도면이 정렬되어 지구에서 우리의 관점에서 별들이 서로 앞을 지나가도록 하는 시스템입니다. 한 별이 다른 별을 가려내면서 주기적으로 밝기가 감소하여 별 자체를 해결할 수 없더라도 감지할 수 있습니다. 이러한 광도 곡선은 별의 크기, 온도 및 궤도 매개 변수에 대한 중요한 정보를 제공합니다. 페르세우스자리에 위치한 알골은 가장 유명한 일식 쌍성 중 하나입니다. 종종 '데몬 별'이라고 불리는 알골의 밝기는 2.87일마다 한 별이 다른 별 앞을 지나가면서 눈에 띄게 어두워져 최초로 확인된 변광성 중 하나가 됩니다.
2. 쌍성계에서의 질량 전달 및 항성 진화
쌍성계의 가장 흥미로운 측면 중 하나는 쌍성계가 관련 별의 진화에 영향을 미칠 수 있는 방법입니다. 많은 쌍성계에서 두 별은 중력적으로 상호작용할 수 있을 정도로 가까워 한 별에서 다른 별로 질량이 전달됩니다. 질량 전달로 알려진 이 과정은 두 별의 수명 주기를 극적으로 변화시킬 수 있습니다. 쌍성계에서 더 무거운 별이 핵연료를 소진하고 적색 거성으로 팽창하면 그 외층이 동반자에게 흘러들어 로슈 엽이라고 알려진 것이 넘쳐날 수 있습니다. 별의 물질은 중력의 영향에서 다른 별로 흘러들어 가 두 별 모두 빠르게 변화합니다. 질량을 잃은 별은 일찍 백색왜성이나 중성자별이 될 수 있는 반면, 질량을 얻은 별은 스스로보다 더 크고 밝을 수 있습니다. 이 과정의 훌륭한 예는 한 별이 동반자에게 적극적으로 질량을 전달하는 반분리 쌍성인 베타 라이래 시스템에서 볼 수 있습니다. 주성은 로슈 엽을 채우기 위해 팽창하고 물질이 부성으로 흘러들어 가 강착 원반을 형성합니다. 이러한 상호작용은 또한 두 별이 짧은 기간 동안 연장된 대기를 공유하여 복잡한 궤도 역학으로 이어지는 공통 외피 단계로 이어질 수 있습니다. 질량 이동은 예상보다 젊고 뜨겁게 보이는 쌍성계의 별인 블루 스트랭글러를 만들 수도 있습니다. 이 별들은 동반성에서 질량을 얻은 것으로 추정되며, 이 별들은 핵융합 과정을 회복시켜 성단의 다른 별보다 더 푸르고 젊어 보입니다. 블루 스트래글러는 종종 항성의 밀도가 상호 작용과 합병을 더 흔하게 만드는 구상 성단에서 발견됩니다. 마지막으로, 질량 이동은 대격변 변수와 초신성을 형성할 수 있습니다. 일부 쌍성계에서는 별이 백색왜성인 경우 물질의 유입으로 찬드라세카르 한계(태양 질량의 약 1.4배)를 넘어 Ia형 초신성으로 이어질 수 있습니다. 이러한 초신성은 우주 거리를 측정하는 표준 양초 역할을 하기 때문에 천문학에서 매우 중요합니다.
3. 이국적인 현상을 생성하는 데 있어 이진 시스템의 역할
쌍성계는 중성자별, 블랙홀, 중력파원의 형성을 포함하여 우주에서 가장 이국적이고 에너지가 넘치는 현상의 일부를 담당합니다. 쌍성계의 거대한 별들이 진화하면 초신성에서 생을 마감하고 중성자별이나 블랙홀과 같은 조밀한 잔해를 남길 수 있습니다. 경우에 따라 계의 두 별은 이러한 조밀한 물체로 진화하여 조밀한 쌍성을 형성할 수 있습니다. 두 개의 중성자별이나 블랙홀이 서로 가깝게 궤도를 돌면 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 의해 예측된 시공간의 틈인 중력파 방출을 통해 시간이 지남에 따라 에너지를 잃습니다. 이러한 소형 쌍성은 엄청난 양의 에너지를 방출하는 대격변 사건에서 합쳐질 때까지 점진적으로 안쪽으로 나선형으로 회전합니다. 이러한 시스템의 가장 유명한 예 중 하나는 1974년에 발견된 훌스-테일러 쌍성 펄서입니다. 이 시스템은 서로 궤도를 도는 두 개의 중성자별로 구성되어 있으며, 이 시스템의 발견은 중력파의 존재에 대한 최초의 간접적인 증거를 제공했습니다. 중력파의 방출로 인해 일반 상대성 이론에서 예측한 것처럼 별의 궤도 주기는 점차 감소하고 있습니다. 최근 몇 년 동안 LIGO와 처녀자리 관측소에서 중력파를 직접 감지함으로써 쌍성계에 대한 이해에 혁명을 일으켰습니다. 2017년 LIGO는 두 중성자별의 병합을 감지했는데, 이 사건은 중력파의 존재를 확인했을 뿐만 아니라 합병 후 발생한 킬로노바 폭발을 통해 금과 백금과 같은 무거운 원소의 생성에 대한 주요 인사이트를 제공했습니다. 이와 같은 쌍성계는 강렬한 중력장과 고에너지 현상이 작용하는 물리학의 극한을 연구하는 데 필수적인 실험실입니다. 쌍성계와 관련된 또 다른 이국적인 현상은 중성자별이나 블랙홀과 같은 소형 물체가 동반성에서 물질을 축적하는 X선 쌍성이 형성된다는 것입니다. 물질이 소형 물체로 나선형을 그리면서 수백만 도까지 가열되어 강력한 X선을 방출합니다. 가장 유명한 X선 쌍성 중 하나인 시그너스 X-1은 강렬한 X선 방출과 동반성에 대한 중력의 영향으로 발견된 최초의 확인된 블랙홀입니다.