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점근거성가지

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'''항성은하천문학·우주론'''
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## ──초기 질량───
<colbgcolor=#EDEDED,#000><nopad> 초기 태양 질량에 따른 구분*
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<class=m11> 103
형성
단계
원시별
황소자리 T형 별 ×
× 전주계열성 허빅 Ae/Be 별 ×
주계열
단계
주계열성 초대질량 항성
(쿼시 별)
후주계열단계
청색왜성 준거성 볼프-레이에별WL
LBV
적색거성色* (LBV)
초거성·
극대거성色*
적색거성 헬륨 섬광 *
수평가지별
점근거성
(OH/IR 별)
초점근거성
(OH/IR 별)
(OH/IR
초·극대거성)
볼프-레이에별WL
행성상성운·후점근거성 초신성·극초신성 쌍불안정형
초신성
극초신성
밀집성
단계와
그 후
헬륨 백색왜성* 백색왜성 중성자별
(킬로노바·마그네타)
블랙홀 잔해 없음 블랙홀
흑색왜성*·Ia형 초신성·헬륨 별*
철 별*
블랙홀
초대질량 블랙홀로의 흡수
호킹 복사로 인한 소멸
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* 기울임: 현재 우주에서 관측 및 발견이 불가능한 이론상의 천체
  • WL: 볼프-레이에별과 LBV의 경우, 아직 두 항성의 형성과 진화단계를 정확하게 설명하는 이론이 존재하지 않는다. 따라서 틀에 서술된 진화 과정은 여러 이론들을 총합하여 서술한 것이며, 실제 진화과정은 틀의 서술과 다를 수 있다.
  • 色: 주계열을 떠난 일반·초·극대거성들은 특이사항이 없는 이상 크기가 커짐과 동시에 온도가 낮아지는 방향으로 진화하며 결과적으로 적색이 된다.
  • ( ): 괄호 안의 항성진화 과정은 거칠 수도 있거나 또 다른 형태로 존재하는 경우를 의미한다.
  • ×: 가위표가 쳐져 있을 경우, 그 칸에 해당되는 질량을 가진 항성은 그 단계를 거치지 않거나 건너뛴다.
  • *: 참고
    • 1. 항성의 초기 질량 외에도 중원소 함량, 회전속도 등에 따라서도 진화 과정이 달라질 수 있으나 이 틀에서는 고려되지 않았다.
    • 2. 거성, 초거성, 극대거성 등의 분류는 여키스 분류법을 따른 것으로 엄밀하게 구분되지 않으며, 항성의 진화 단계를 정확하게 표기하기 위한 기준으로 사용되기는 어려울 수 있다.
    • 3. 태양 질량의 2.25~8배의 질량을 갖는 별은 핵이 축퇴 상태에 이르기 전에 헬륨 연소가 시작되므로 헬륨 섬광을 겪지 않고 헬륨 핵융합을 시작한다.
    • 4. 헬륨 백색왜성은 헬륨 핵을 가진 적색거성이 동반 천체에 의해 외피층을 잃는 방식으로도 형성될 수 있다.
    • 5. 1.2~1.4배의 태양 질량을 가진 흑색왜성은 이후 찬드라세카르 한계에 의해 폭발하게 된다.
    • 6. 헬륨 별은 이후 행성상성운을 남기고 폭발하여 탄소-산소 백색왜성이 된다.
    • 7. 철 별은 양성자 붕괴가 발생되지 않을 경우에만 형성되며, 양성자 붕괴가 발생될 경우 흑색왜성은 구성물질이 미립자 단위로 붕괴되면서 소멸할 것으로 예상되고 있다. 이후 철 별은 양자 터널링을 거쳐 중성자별 또는 블랙홀로 진화한다.
}}}}}}}}}

파일:황새치자리 R.jpg
[1]
1. 개요2. 설명3. 분류
3.1. 초기 점근거성가지 단계3.2. 열맥동 점근거성가지 단계
3.2.1. OH/IR 별3.2.2. AFTP 현상
3.3. 후점근거성가지 단계
3.3.1. 원시-행성상성운의 중심별3.3.2. 행성상성운의 중심별3.3.3. Born-again
4. 나무위키에 문서가 있는 점근거성가지

1. 개요

/ Asymptotic Giant Branch

점근거성가지는 태양질량 약 0.5배~8배의 항성들이 수평가지 이후 거치는 단계를 말한다. 이 단계의 항성은 H-R도 상에서 적색거성가지점근하는 것과 같은 진화 경로를 따르기 때문에 이러한 이름이 붙었다.

적색거성가지와 혼동되는 경우가 많으나 실제론 항성이 주계열성 이후에 거쳐가는 단계의 일종으로 사실상 별개의 용어이다. 물론 적색거성가지(Red Giant Branch)가 아니라 적색거성(Red Giant)이라고 하면 두 단계를 모두 포괄하게 된다.[2]

비전문적인 서술에서는 점근거성가지에 속한 항성을 편의상 '점근거성(Asymptotic Giant Star)'이라 부르는 경우가 많으나 엄밀하게는 '점근거성가지 항성(AGB star)'으로 칭하는 것이 맞으며 실제 연구에서도 일반적으로 뒤의 용어가 사용된다. 점근거성가지는 어디까지나 H-R도 상에서 항성들이 분포하는 형태인 '거성가지(Giant Branch)'에서 파생된 용어이지 '점근거성'이라는 새로운 개념을 칭하는 용어가 아니기 때문이다.

2. 설명

수평가지에서 중심핵에 위치했던 헬륨을 모두 소진하면, 항성의 내부 압력과 중력의 평형이 깨져 항성은 잠시 수축하게 되는데, 이때 항성의 내부 온도가 높아져, 중심핵 주변 층에서 삼중알파과정을 통한 헬륨 핵융합이 가능해진다. 이 때문에 별의 크기가 극단적으로 비대해지며, 태양 반지름의 100배는 기본으로 넘어가는 크기를 가지게 된다.[3] 이렇게 거대해진 별는 엄청난 광도를 내뿜으며, 향후 적색거성가지 단계에서 못 잡아먹은 행성들을 잡아먹을 가능성이 있다.[4] 대부분 장주기 변광성이거나 해당 분류의 하위분류에 속한다.

3. 분류

3.1. 초기 점근거성가지 단계

초기 점근거성가지 / Early Asymptotic giant branch

초기 점근거성가지는 점근거성가지의 세분화 분류 중 하나이다. 삼중알파과정을 중심핵 인근에 위치한 헬륨으로 진행하며, 이것의 세기가 약해지면 열맥동 점근거성가지에 진입한다. 이 과정에서 항성의 반지름은 215 태양반경 까지 커질 수 있다.
0.5 ~ 7 M☉
수평가지(또는 청색고리)별 중심에는 헬륨 핵융합의 결과물인 탄소와 산소가 쌓이게 되고, 중심핵 바깥 층에서 삼중알파과정(헬륨 껍질 연소)가 일어나 초기 점근거성가지 단계로 진입한다.
7 ~ 10 M☉ (~14 M☉)
청색고리 이후 헬륨 핵융합의 결과물인 탄소와 산소가 쌓이는데, 좀 과하게 많이 쌓였다. 중심핵의 질량이 태양과 비슷한 수준이며, 이미 태양과 질량이 비슷한 열맥동 점근거성가지의 밝기를 능가하는 어마어마한 밝기를 보인다.

3.2. 열맥동 점근거성가지 단계

파일:TPAGB.jpg
[5]
열맥동 점근거성가지 / Thermal Pulsing Asymptotic Giant Branch

열맥동 점근거성가지는 초기 점근거성가지 이후 거치는 단계이다.

초기 점근거성가지 단계 이후, 중심핵 주변 껍질층에서의 헬륨이 모두 소진되면, 헬륨껍질 바깥에 위치했던 수소껍질에서 CNO 순환을 통한 수소 핵융합을 진행하게 되는데, 이때 헬륨이 형성되게 된다. 그 후, 중심핵 주변 껍질에 헬륨이 충분히 축적되면, 폭발적으로 헬륨을 연소하는 단계가 생기게 되는데, 그것을 헬륨 껍질 섬광(Helium shell flash)이라고 말한다. 헬륨이 다 소모되면, 항성은 다시금 중심핵 주변 껍질에서 수소를 연소시키고, 다시금 헬륨을 생성하여 헬륨 껍질 섬광을 일으킨다. 즉, 열맥동 점근거성가지에서는 위 현상이 반복적으로 이루어지는 것이며, 항성풍이 외피층을 서서히 우주 공간으로 날려보내어 더이상 ‘거성 상태’를 유지할 수 없게 되면 후점근거성가지 단계에 진입한다.[6]

상술하였듯, 열맥동 단계에 위치한 항성은 초거대항성풍(Superwind)라 불리는 현상을 통해 남은 질량의 대부분을 우주로 날려 보내게 된다. 물론, 항성풍을 통한 질량 손실은 항성이 거성 상태를 벗어난다고 해서 멈추는 것이 아니므로 후점근거성가지 단계에서도 지속된다.
0.5 ~ 7M☉
중심핵 껍질에 있는 헬륨이 모두 소진될 경우 수소 껍질 핵융합이 일어나 헬륨이 다시 공급되고, 헬륨 껍질 섬광(Helium shell flash)이 일어나기 시작하면서 열맥동 점근거성가지 단계로 진입한다.
7 ~ 10 M☉ (~14 M☉)
해당 단계 이후 초점근거성가지 단계에 진입한다. 자세한 내용은 초점근거성가지 문서로.

3.2.1. OH/IR 별

OH/IR 별은 강한 항성풍을 날리는 항성으로 그 결과 강한 OH[7] 메이저 방출선이 나타나며 많은 양의 적외선을 방출한다. 이렇게 방출된 질량은 이후 행성상성운을 형성하며, 항성의 중심핵은 백색왜성으로 진화한다.

3.2.2. AFTP 현상

파일:Born-again ev. tr.png
[8]
마지막 점근거성가지 열맥동(AFTP)는 열맥동 점근거성가지별의 거의 끝자락에 헬륨 껍질 섬광이 일어나, 후점근거성가지별로 가려던 항성이 다시금 열맥동 단계에 진입하게 하는 현상이다.[9] 이때 제3차 준설 과정이 일어나 수소를 감소시키게 된다. Born-again과 비슷한 현상이기는 하지만 확실히 열맥동 점근거성가지별일 때 나타나는 현상이여서 born-again 별에 해당되지 않으며, 이후 [WC]별을 거치는 것은 born-again 별과 같으나 PG 1159별을 거칠 때에 아직 상당수 남아있는 수소로 인해 Hybrid-PG 1159별로 진화하고, 중력 침강 현상으로 인해 표면에 수소가 다시금 드러나 DA형 백색왜성으로 생을 마감한다고 한다.

3.3. 후점근거성가지 단계

파일:post-AGB ev. tr.jpg
[10]
post-Asymptotic Giant Branch / pAGB

점근거성가지를 벗어난 항성이 백색왜성이 되기 전 거쳐 가는 단계이며, 항성은 초거대항성풍으로 인한 질량 손실이 지속되어 점차 중심핵이 노출되면서 온도가 올라가게 되고 크기는 작아지게 된다. 이렇게 초거대항성풍을 통해 날아간 껍질 부분의 가스는 원시 행성상성운이 되며, 남은 중심핵 부분은 백색왜성이 된다.

점근거성가지를 거친 항성이 일생 동안 가장 밝게 빛나는 시기이며 그 기간이 매우 짧기 때문에 이 단계에 위치한 항성은 적은 수만이 발견된다.

3.3.1. 원시-행성상성운의 중심별

원시-행성상성운의 중심별, 약칭 CSPPN은 말 그대로 원시 행성상성운의 중심별이다.

간단히 말하자면 해당 단계는 점근거성가지부터 해당 별의 원시 행성상성운이 이온화되기 전까지 별이 거치는 단계를 의미한다. 해당 단계에는 별이 성운을 이온화시키지 못해야 하므로, CSPPN의 온도는 대략 30,000 K보다 작다. 그리고, 중심별의 온도가 30,000 K를 넘어가면 비로소 원시 행성상성운이 이온화되며, 중심별은 CSPN 단계에 진입한다.

3.3.2. 행성상성운의 중심별

행성상성운의 중심별, 약칭 CSPN은 그것의 원시 행성상성운이 이온화되기 시작할 때부터 백색왜성이 될 때까지의 항성이 속하는 분류이다. 상술하였듯, 해당 단계에 속하는 별들의 온도는 대략 30,000 K 이상이다.

3.3.3. Born-again[11][12]

파일:Born-again ev. tr.png
[13]
후기 점근거성가지 단계 이후 항성은 수축하게 되는데, 특정 조건에서 늦은 헬륨 껍질 섬광(LTP)나 매우 늦은 헬륨 껍질 섬광(VLTP)이 발생하면 진입하는 특수한 현상이다. 즉, 해당 단계는 모든 항성들이 거치는 단계가 아님을 숙지하고 아래 내용을 읽기를 바란다.

항성들은 보통 CSPPN과 CSPN 단계를 거쳐 백색왜성이 되어갈 때 H-R도 상에서 수평하게 왼쪽으로 이동하고, CSPN을 거치며 오른쪽 아래로 내려가는(⤹) 형태의 경로를 그리나, born-again 현상은 여기서 조금 괴이한 진화 경로를 초래한다.

늦은 헬륨 껍질 섬광(LTP)을 이용하여 born-again 현상을 겪는 항성은 항성이 H-R도상에서 수평으로 이동할 때에 헬륨 껍질 섬광이 일어나 정상적인 후점근거성가지 단계를 이탈하게 된다. 항성 내부에서 대류가 일어나기는 하지만, 수소를 중심쪽까지 끌어뜨려서 핵융합을 할 수 있을 정도는 아니기에, 수소를 내부 층과 혼합시켜 희석하는 정도에 그친다. 이후 해당 항성은 [WC]별과 PG 1159별 단계를 거치게 된다.

매우 늦은 헬륨 껍질 섬광(VLTP)를 이용하여 born-again 현상을 겪는 후점근거성가지별들은 CSPN 단계까지는 전형적이게 백색왜성으로 가는 항성의 진화 과정을 따르다가 갑작스럽게 VLTP가 발생해 H-R도 상에서 오른쪽 위로 상승하여 점근거성가지별과 비슷한 상태가 된다. 이때 헬륨 껍질 섬광에 의해 초래된 엄청난 대류로 인해 항성은 수소층을 항성 내부로 끄러뜨려버리고, 수소는 결국 항성의 내부에서 대부분 핵융합이 되어 버린다. 이것을 수소 유입 섬광이라고 하며 강력한 에너지를 생산한다. 하지만, 수소 유입 섬광은 오래가지 않아 광도와 반지름이 급격히 하락세를 띄게 되고, 일시적으로 별의 온도가 높아지고 반지름은 줄어든다. 이후에, 아직 끝나지 않았던 헬륨 껍질 핵융합이 다시금 별의 온도를 낮추고 반지름을 키운다. 이후 VLTP가 끝나면서 헬륨 껍질에서 핵융합을 하는 과정 또한 점차 끝나게 되며, 이러한 진화 과정을 겪은 항성은 이후 LTP에 의해 초래된 born-again과 같이 [WC]별과 PG 1159별 단계를 거치게 된다.

Born-again 과정을 겪고 백색왜성이 되어가는 별은 born-again이 LTP에 의하여 초래되었든 VLTP에 의하여 초래되었든 [WC]별과 PG 1159별 단계를 거치게 된다. 이러한 단계를 거치는 별들은 백색왜성보다 반지름이 큰데, 이러한 유형의 별들이 백색왜성이 아니라 VLTP에 있었을 당시 과도하게 팽창했던 반지름이 서서히 작아지고 있는 단계에 위치한 별들이기 때문이다.[14]

[WC]별 단계에 있는 항성들은 볼프-레이에별과 비슷하게 항성풍을 통한 방출선을 보이며, 대표적으로 이후에 PG 1159별로 진화함이 알려져 있다만은 모든 [WC]별이 PG 1159별을 거쳐서 백색왜성이 되는 것은 아니다.[15] 세부적으로는 [WCL]형과 [WCE]형으로 구분되며, [WCL]은 후기 [WC]별로, 후기라는 말과는 다르게 born-again을 겪은 별이 수축을 하며 처음으로 진입하는 단계이고,[16] [WCE] 단계는 [WCL]별이 더욱 수축하여 진화한 단계이다. [WC]별의 항성풍이 서서히 약해짐으로서 [WC]별은 [WC]-PG 1159별[17]을 거쳐 PG 1159 별로 진화한다. PG 1159별은 헬륨, 탄소, 산소로 구성되며, 이후 Born-again 행성상성운을 남기고 중력 침강 현상으로 인해, LTP를 통해 born-again을 일으킨 별은 DA형 백색왜성이, VLTP를 통해 born-again을 일으킨 별은 DO형 백색왜성을 거쳐서 DB형 백색왜성이 될 것으로 예상된다.

4. 나무위키에 문서가 있는 점근거성가지


[1] 초기 점근거성가지별로 추정되는 황새치자리 R의 모습.[2] 적색거성은 적색(M~K)거성(III)을 의미하는 분류법이다.[3] 표면은 불규칙하게 울퉁불퉁해진다.[4] 꼭 잡아먹을 수 있는 것은 아니다. 항성의 지름과 행성의 궤도가 맞아야 하기 때문.[5] 열맥동 점근거성가지의 광도곡선. 뽀족하게 위로 치솟은 구간이 헬륨 껍질 섬광이 일어나는 부분이다.[6] 보통은 항성의 외피층 질량이 대략 10-2 태양질량 이하로 감소하게 될 경우 거성 상태를 유지할 수 없게 된다.[7] 하이드록실 라디칼로, 수산화물 이온의 중성 형태이다.[8] AFTP 현상이 일어난 항성의 진화 경로는 오른쪽 위에 있다.[9] 즉, born-again 현상과 같이 모든 항성들이 거치는 진화 경로가 아닌 특이한 경우이다.[10] 후점근거성가지 항성이 백색왜성 이전까지 진화하는 상세한 경로가 표시된 모습. 실선이 보통 항성의 후점근거성가지 단계 진화이고, 점선은 후술할 VLTP에 의한 born-again 현상이 나타났을 때의 대략적인 진화 경로이다.[11] #[12] #[13] 여러 유형의 born-again 현상이 나타났을 때의 대략적인 진화 경로이다. 각각 일반적인 후점근거성가지별의 이후 진화, AFTP, LTP, VLTP이다.[14] 다만 [WC]별의 경우 항성풍으로 인해 겉보기 반지름이 커 보일 수 있다.[15] 참고로, PG 1159 별의 어원은 PG 1159-035 별로 팔로마-그린(Palomar-Green) 탐사를 통해 발견했다. 이 항성은 처녀자리에 있으며 약 1,930 광년 떨어져 있다. 또한 처녀자리 GW형 변광성(사실 PG 1159-035가 해당 변광성의 원형이다.)이기도 한데, 비방사형 중력맥동으로 인해 밝기가 변한다.[16] 주계열성들에게 사용되는 ‘초기 주계열성’(적색왜성 등), 그리고 ‘후기 주계열성’(OB별 등)과 같은 의미이다. 즉, [WCL]이 더 차갑고 반지름이 크며, [WCE]가 더 뜨겁고 반지름이 작다.[17] 간단히 말해서 [WC] - PG 1159별은 [WC]별과 PG 1159 별의 중간 단계이다.
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