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1. 개요
적색거성(赤色巨星, Red giant)은 태양 질량의 0.25~8배[1]의 별들이 거치는 후기 진화 단계이다. 크기가 매우 거대하고 표면 온도가 낮은 탓에 붉은 색을 띄어 '적색 거성(Red giant)'라는 이름이 붙었다. 또한 질량에 비해 거대하게 팽창한 만큼 매우 낮은 밀도를 지닌다는 특징도 가진다. 보통 0.1 kg/㎥ 정도로 이는 지구 대기보다도 낮은 수치이다.고전적인 의미의 적색거성은 일정 이상의 광도를 지닌 K, M 분광형의 항성들을 의미하며, 수평가지, 점근거성가지, 적색덩어리 등에 속한 항성들이 포함될 수 있다.[2][3] 다만 항성 진화 이론에서 이야기하는 협의의 적색거성은 H-R도상에서 적색거성가지(RGB)에 위치한 항성들만을 의미한다.
2. 진화
항성의 주요 에너지원은 핵융합으로 주로 수소를 연료로 사용한다. 항성이 이러한 수소를 연료로 활동하는 기간을 "주계열 단계", 여기에 속한 항성을 주계열성이라고 부르는데, 만일 항성이 오랜 시간 불타올라 늙어버린다면 중심부의 수소는 고갈되어 주계열성으로서의 삶이 끝나게 된다.핵융합의 결과로 항성의 중심핵에 쌓인 헬륨은 수소보다 더 큰 원자핵당 질량을 지니는 동시에 핵융합의 재료가 될 수 없어 압력을 유지할 열에너지를 부족하게 만든다. 그 결과 중심핵은 수축하여 이로 인한 압력 상승이 수소 핵융합의 반응률을 증가시킨다. 또한 수소는 충분하지만 중심부보다 상대적으로 온도가 낮아 핵융합이 진행되지 않던 중심핵의 바깥 부분에서도 핵융합이 시작되어 전체적으로 핵융합이 이루어지는 영역의 범위가 확대되며, 항성 중심부는 핵융합을 하지 않는 헬륨 핵을 껍질 모양의 수소 핵융합 영역이 둘러싼 형태를 가지게게 된다.
이로 인해 전체적으로 항성 중심부에서 수소 핵융합에 의해 발생하는 에너지가 크게 증가하며, 여기서 발생한 복사압과 열압력은 주계열성 기간 동안 유지되었던 중력과의 평형을 깨고 항성의 외피층을 크게 팽창시키게 된다. 이때 항성의 반지름이 커진 만큼 표면온도는 낮아져 스펙트럼상 붉은 색을 띄고, 표면적은 늘어 전체적인 광도는 증가한다. 이 상태에 이른 항성을 적색 거성이라고 부른다.
적색거성 단계에서 상당량의 질량을 잃으며, 적색거성이 끝나는 시점까지 질량에 따라 20~60% 수준의 질량을 항성풍으로 내보낸다.[4] 이러한 까닭은 광도가 매우 높고 항성풍으로 내보내는 질량도 상당할 뿐더러, 최대 수 억 년 동안 지속되기 때문이다. 점근거성가지가 적색거성보다 광도도 더 높고 항성풍으로 내보내는 질량도 더 많지만, 지속시간이 적색거성에 비해 짧기 때문에 점근거성가지에서 내보내는 질량은 초기 질량의 5~30% 수준만 항성풍으로 내보낸다.[5]
3. 이후
항성의 중심핵 성분이 수소에서 헬륨으로 상당수 바뀌었다면 이후 항성은 질량에 따라 각각 운명이 달라진다.3.1. 0.25~0.5
태양 질량의 0.25배 ~ 0.5배 정도 되는 항성들은 헬륨 핵융합까지 발생할 환경이 구성되지 못하지만, 후기 진화 과정에서 표면의 불투명도가 크게 오르므로 태양 지름의 5~10 배[6] 지름을 가진 적색 거성으로 팽창할 수 있다. 그러나 적색거성가지(RGB)를 끝까지 오르지 못한 채 헬륨 백색왜성으로 진화하며 외피층은 행성상성운을 이룬다. 그러나 현 우주 나이(약 138억 년)에서는 태양 질량 0.8배 미만의 별은 수명을 다 한 사례가 없으므로 정상적인 항성 진화로 생성된 헬륨 백색 왜성은 존재하지 않는다.3.2. 0.5~2.25
위와 같이, 이 단계의 별들은 극도의 압력으로 축퇴된 탄소핵[7]과 산소핵으로 이루어진 중심핵을 가진다. 여기서 태양 질량의 7~8배 이상의 별들은 탄소와 산소핵까지 항성의 핵에서 핵융합시키는 조건을 달성해서, 적색 초거성이 되지만, 태양은 점근거성가지에서 비슷한 수준의 별들과 함께 외피층을 항성풍으로 서서히 날려 버리고 끝내 PG 1159 별을 거쳐 탄소와 산소 핵으로 이루어진 중심 핵만 남게 되어, 결국 탄소-산소 백색왜성을 이루게 된다.
3.3. 2.25~8
이 단계의 별들은 극도로 축퇴된 탄소핵과 산소핵으로 이루어진 중심핵을 가진다. 다만 태양 질량의 2.25~8배를 가지는 별은 태양 질량의 0.5~2.25배의 별과 다르게 중심핵이 축퇴 상태에 이르기 전에 헬륨 핵융합을 시작하기 때문에 헬륨 섬광을 겪지 않고 헬륨 핵융합을 시작한다. 이후에는 질량이 작은 쪽은 수평가지를 거칠 것이고, 질량이 큰 쪽은 초거성을 거칠 것이다.최후에는 점근거성가지나 초점근거성 단계를 밟을 것이고, PG 1159 별을 거쳐 점근거성가지를 거친 별은 탄소와 산소 핵으로 이루어진 백색왜성을 남길 것이고, 초점근거성을 거친 별은 산소, 네온, 마그네슘으로 이루어진 백색왜성을 남길 것이다.
3.4. 기타
쌍성계에 속한 적색거성의 경우 먼저 백색왜성이 된 동반성이 적색거성의 질량을 흡수하다 Ia형 초신성 폭발로 이어지는 것도 가능하며, 동반성에 의해 외피층을 모두 잃고 헬륨 핵만 남을 경우 헬륨 백색왜성이 될 수 있다. 두 항성이 충분히 근접해 있고, 동시에 적색거성이 되는 경우 서로 접촉하는 형태로 변화할 수 있다. 이 상태에서 한 항성의 물질이 다른 항성으로 너무 많이 넘어갈 경우 불안정한 상황을 만들 수 있다.[8]3.4.1. 뜨거운 준왜성
4. 특징
표면적이 지나치게 늘어 끊임없이 질량이 손실되기 때문에 별의 외피층이 구형을 이루지 못한다. 따라서 주계열성들과 같은 매끈한 구형이 아닌, 거품이 끓는 울퉁불퉁한 모습을 하게 된다.한편 태양 역시 70억년 정도가 지나면 적색거성 단계를 거치게 된다. 만일 지구가 적색거성 단계에서 살아남는다면 바다가 모두 증발하고 하늘의 대부분을 태양이 뒤덮으며, 엄청난 열 때문에 대기도 다 날아가고 온도는 수천도에 육박하게 될 것이다.
5. 기타
2018년 공개된 중국 SF영화 유랑지구는 적색거성화된 태양으로부터 지구를 탈출시키는 것을 모티브로 삼는다.2019년에 지구의 물질 중 일부는 적색 거성의 잔해에서 나왔다는 설이 제시되었다.#
적색 거성이 헬륨 연소 시작 직전까지 도달하는 광도는 항상 일정하기 때문에 은하를 구성하는 적색거성의 최대 겉보기등급은 외부은하의 거리를 측정하는 데 흔히 이용된다. 이러한 거리측정법을 TRGB(Tip of the Red Giant Branch)라 부른다.
6. 관련 문서
[1] 다수의 과학 서적 및 사이트에서는 태양 질량의 0.08~8배 사이의 모든 별들이 적색 거성이 되는 것으로 취급하는 경우가 흔하나, 시뮬레이션에 따르면 0.25배 미만은 적색 거성이 될 수 없다고 한다. #[2] 이들은 M, K형임과 동시에 여키스 분류법에서 거성에 해당되는 III에 속해있기 때문이다. 따라서 넓은 의미의 적색거성이라면 수평가지, 점근거성가지, 적색덩어리거성도 적색거성의 범주로 볼 수 있다.[3] 수평가지의 경우는 태양 질량보다 작은 경우에만 적색거성의 범주에 들 수 있다. 태양도 수평가지 초기에는 K0III였다가 중기부터 G9III로 진입하므로 이쪽은 황색거성의 범주에 들어간다.[4] 태양은 약 38% 정도의 질량을 항성풍으로 내보낸다.[5] 태양은 약 8% 정도의 질량을 항성풍으로 내보낸다.[6] AU 단위로 팽창하는 태양 질량 이상의 별들보다는 여전히 작은 편이다.[7] 헬륨이 핵융합된 결과물이다.[8] 뜨거운 준왜성이 그 예.