우주공간의 구성요소

1. 수소 지역(H region)

수소들이 주로 모여 있는 곳을 수소 지역이라 하는데, 수소 지역을 좀 더 세분화하기 위해 로마 숫자로 표시합니다. 전기적으로 중성인 수소들이 주로 모여 있는 HI지역, 하나뿐이던 전자를 잃고 이온화된 수소(HF )들이 주로 모여 있는 HII지역으로 구분할 수 있습니다.

 

그래서 지구에서 수소 지역을 관찰할 때, 21cm 파장의 방출이 있으면 HI지역, 스스로는 빛을 방출하지 않지만, 주변에 있는 뜨거운 별의 빛을 반사하거나 재방출하면 HII지역이라는 것을 알 수 있습니다. 온도를 비교해 보면, HI는 100K, 그리고 HII는 10,000K에 이릅니다. 참고로, Hel 지역은 전기적 중성인 헬륨 가스(He), HeII 지역은 전자 한 개만을 잃은 헬륨가스(He), Helll 지역은 전자 두 개를 모두 잃은 헬륨 가스(He)가 주로 모여 있는 성간 공간입니다. 하지만 수소 지역에 비해 흔하지 않습니다.

 

 

2. 방출 성운(emission nebulae)

스스로 빛을 발산하지는 않지만, 성운의 내부 또는 외부에 있는 별빛을 발산하는 성간 가스덩어리입니다. 방출성운은 붉게 보이는데 성간 붉어짐이라는 현상 때문일 뿐, 원래의 색이 붉은 것도 또는 붉은 색의 빛을 내뿜는 에너지원도 아닙니다. 우리가 지구의 대기에서 보는 일몰과 일출 때의 하늘이 빨갛게, 그리고 낮에는 파랗게 보이는 원인과 같습니다. 푸른색의 빛이 더 잘 산란되기 때문에 (레이레이 산란) 성간 구름이 붉은 색으로 보이는 것입니다. 보통은 HII지역에서 주로 발생을 합니다. HI 지역이었다가도, 고온의 별에서 방출된 에너지를 흡수한 수소 가스들의 전자가 들뜨게 되어, HII지역으로 바뀌게 됩니다.

 

 

3. 반사(反射)성운(reflection nebulae)
스스로도 빛을 내지 못하고, 성운 내부에도 별이 없는데, 파란빛을 방출하는 성운이 있습니다. 성운 외부에 있는 별빛을 성운이 반사하기 때문입니다. 별빛을 반사한다는 것은 성운을 구성하는 먼지 입자나 가스 입자들이 별빛을 흡수한 후 재방출하는 것인데, 레이레이 산란에 의해 파란색의 빛을 더 강렬하게 방출합니다. 그래서 반사성운은 파랗게 보입니다. 물론 빛을 반사하고 있는 대부분의 입자들의 크기가 가시광선의 파장 보다 훨씬 작다는 사실도 포함이 되어 있습니다.

공기 오염이 심한 도시에서도 보통 쌍안경으로도 볼 수 있는 파란색 빛의 별 7개가 구성하는 M45, 또는 플레이데스라고 불리는 구상성단입니다. 구상성단 중에서도 제일 가깝고 제일 밝게 빛나죠. 지구로부터 약 400광년 떨어져 있는 플레이데스는 너비가 약 13광년으로, 약 3,000여 개의 별들을 포함하고 있는데, 최근에는 희미한 빛을 발하는 갈색왜성들이 발견되고 있습니다.

 

 

4. 레이레이 산란(Rayleigh scattering)과 색깔

빛이 같은 종류의 물질(매질)을 통과하더라도, 관찰자의 시각에 따라서 대낮의 하늘과 반사성운을 파랗게, 노을과 방출성운을 붉게 물들입니다. 이런 현상을 자아내는 것이 레이레이 산란입니다. 물체가 떨린다는 것은 물체가 진동한다는 의미이며, 진동된 물체는 주위로 진동을 전파시킵니다.

 

예로써, 잔잔한 호수에 돌맹이 하나를 던지게 되면 돌맹이가 떨어진 곳으로부터 파문이 일면서 파(波, 진동)가 닿는 주변으로 퍼져 나가게 됩니다. 즉, 진동에 노출이 된 곳이 같이 떨리게 되는 이치입니다. 레이레이 산란은 입자의 크기가 입사한 빛의 파장보다 작을 때(dr) 발생합니다.

소리는 공기에 압력을 가함으로써 발생이 되기 때문에, 당연히 진행 방향의 앞두로 진동이 되는 종파(longitudinal wave)입니다. 그래서 소리와 부딪친 입자들이 소리의 진행 방향으로 진동하게 되지만, 횡파(transversal wave)인 빛과 부딪친 입자들은 빛 진행 방향의 상하좌우로 진동이 일어나게 됩니다. 그래서 진행 방향, 즉 진동축의 직각 방향으로만 빛을 재방출하게 되며, 진동축 방향으로는 어떤 빛도 방출하지 않습니다. 마지막 단계의 그림에서 지면을 뚫고 나오는 성분의 빛은 우리가 느끼는 색의 변화에 그다지 영향을 주지 않기 때문에 생략했습니다.

빛의 경우에 진동축의 수직 방향으로 빛을 재방하는데, 재방출된 빛의 에너지는 파장의 4승에 반비례하게 되는 원리가 레이레이 산란입니다. 그래서 재방출된 빛은 파장이 짧을수록, 즉 파란색 파장의 빛일수록 더 강렬하게 방출되어, 우리의 눈에 더 선명하게 보입니다. 여기서 전기 쌍극자(electric dipole)에 대한 설명은 생략했습니다.

더 강렬하게 방출된 파란빛이 우리의 시각 방향으로 향하게 되면 산란시킨 물체는 파란색으로 보일 것이고, 우리의 시각 외의 방향으로 산란되면 물체는 파란색을 뺀 나머지 빛인 붉은색으로 보이게 됩니다. 그래서 시각이 어느 위치에서 고정이 되느냐에 따라 푸른색이 더 강할 때도 있고, 반대로 붉은색이 더 강할 때도 있습니다. 물론 산란될 기회가 더 많아질수록 파란색의 산란이 더 심해지고, 붉은색이 많이 남게 되는 것도 같은 얘기입니다. 결국 입자들이 백색광을 푸른색이나 붉은색으로 바꿔주는 여과기의 역할을 하는 것입니다.

레이레이 산란에 의한 색 변화는 반사성운과 방출성운의 색깔, 그리고 대낮의 푸른 하늘과 붉은 석양, 또는 나선형 은하계의 옆줄의 색깔 등 다양한 분야에서 자연을 효과적으로 설명합니다. 그러나 하늘이 노랗게 보이는 현상, 더욱이 가벼운 현기증을 동반하는 경우는 레이레이 산란과는 전혀 무관합니다. 별이 성운의 내부에 놓여 있습니다. 푸른색이 붉은보다 더 많이 산란이 되기 때문에, 빛이 성운을 빠져나올 때쯤이면 붉은색 파장의 빛이 더 많이 남아 있게 되며, 지구에서는 붉은색으로 보이기 때문에 방출성운이 됩니다.

 

이런 식으로 방출성운이 붉게 보이는 현상을 따로 성간 붉어짐 (interstellar reddening)이라고 합니다. 두 번째 그림에서는 별이 성운의 외부에 놓여 있는데, 지구의 위치에 따라 색이 달라 보입니다. 별, 성운, 그리고 지구가 일직선에 놓여 있지 않은 경우에는, 지구에서는 푸른색의 빛으로 성운이 보입니다. 하지만 별과 지구 사이에 성운이 있을 경우에 별이 성운의 외부에 있지만, 붉은색의 성운, 즉 방출성운으로 보이게 됩니다.

 

 

5. 확산(擴散)성운 (diffuse nebula)
온도가 낮은 가스와 먼지들이 모여 있기 때문에 밀도가 굉장히 높은 성운들 중의 하나가 확산성운입니다. 확산성운의 크기는 보통 1광년에서 수백 광년에 이르며, 질량은 10M에서 10'Mo에 이릅니다.

 

 

6. 암(暗黑)성운 (absomtion nebulae)
암흑성운의 온도는 무척 낮아서 스스로 어떤 빛도 방출하지 않을 뿐 아니라, 지구쪽으로 오는 가시광선을 중간에서 암흑성운이 흡수해 버리기 때문에 주위에 비해 검게 나타납니다. 확산성운도 온도가 낮지만, 암흑성운은 이보다 더 낮습니다. 밀도에서도 두 성운이 차이를 보이고 있는데, 확산성운의 경우에는 얇아서 확산성운의 뒤에 위치한 별을 볼 수 있지만, 암흑성운의 경우에는 너무 두텁기 때문에 성운의 뒤에 있는 별을 볼 수 없습니다.

 

 

7. 거대 분자(巨大分子) 구름(giant molecular cloud)
여러 종류의 성운들 중에 별들이 형성되기 가장 좋은 조건은, 온도가 가장 낮아서 수소의 밀도가 가장 높은 거대분자성운입니다. 많은 다양한 물질들을 포함하며, 넓게 퍼져있는 암흑성운이 있다면 거대 분자 구름이 되기 위한 가장 좋은 후보입니다.

 

 

8. 행성(行星) 성운 (planetary nebulae)
별의 진화 단계인 적색거성의 초기와 점근선가지별의 초기 과정에서, 제일 겉에 타고 있던 수소와 헬륨의 가스층이 계속 부풀면서 형성하게 되는 구름입니다. 이름은 행성성운이지만 행성과는 별 상관이 없고, 천체 망원경이 발달하기 전에는 별빛치고는 너무 희미했기 때문에 행성이라고 생각했었습니다. 그런 오래된 관습이 그대로 남아 있을 뿐입니다.