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| 백조자리의 머리 부근의 별 알비레오를 촬영한 사진 |
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1. 개요
雙星 / Binary star두 개의 항성이 공통적인 질량 중심을 가지고 공전하는 항성계를 뜻한다. 보다 일반화된 표현으로는 연성(連星) 또는 다중성(多衆星)을 사용하며 2개 이상의 항성이 존재하는 경우를 지칭한다. 두 항성 중에서 밝은 쪽을 주성, 좀 더 어두운 쪽을 동반성, 반성, 또는 짝별이라 부른다. 가끔 관측 중에 발생한 착오나 실수로 이름을 반대로 붙이는 경우도 발생한다.
2. 상세
현재 우리가 사는 태양계가 단일 항성계이기 때문에 쌍성이라 하면 생소하게 느껴지지만, 우주 전체를 보면 쌍성이나 그 이상의 연성계도 흔하다. 주계열성이 2개 이상 존재할 수도 있고, 주계열성 옆에 왜성이나 중성자별, 블랙홀 등이 있는 형태 등 매우 다양한 조합을 볼 수 있다. 태양과 같거나 무거운 별들 중에는 쌍성계를 포함한 다중성계가 70%로 오히려 우리가 사는 태양계와 같은 단일 항성계가 드문 편이다. 우주공간의 스케일을 고려했을 때 우연히 지나가다가 중력에 끌려서 연성계가 될 확률은 거의 없고, 별이 생겨날 때부터 성간물질의 각운동량으로 인해 한 곳으로 뭉치지 않고 여러 개의 항성이 형성되는 것이다.쌍성계의 행성에서는 낮 하늘에 크기가 다른 두 개의 태양이 함께 뜬 모습을 볼 수 있거나, 밝은 태양과 상대적으로 어두운 태양이 어느 정도의 시간차를 두고 떠오르거나 지는 모습을 볼 수 있을 것이라 추정하고 있다. 두 태양이 서로 반대방향에서 뜨는 건 불가능하다. 행성 궤도가 두 항성 사이로 지나가는 것 자체는 불가능하지는 않다. 다만 그렇다고 해도 하나가 질 때쯤 다른 하나가 뜨는 것이지 서로 반대방향에서 뜨는 그림은 아니다.
유일하게 쌍성일 경우에만 별의 질량을 직접적으로 계산할 수 있다. 케플러 제 3법칙을 이용하여 구한 두 별의 질량의 합과, 두 별의 질량중심에 대한 궤도 장반경의 비를 이용하여 구한 두 별의 질량비를 이용하여 연립방정식을 풀면 두 항성의 질량이 도출된다. 이 방법 이외의 별의 질량 측정법은 모두 간접적으로 추정하는 방식이다.
두 개 이상의 항성이 공전하면 연성계 또는 다중성계라 칭하는데, 현재 관측한 사례 중에는 카스토르와 ADS 9731 6중성계(!)도 있다. 이 항성계는 6중성계 중에서도 3중성계가 두 개 합쳐진 정말 특수한 케이스다.
더 무거운 별들과 달리 적색왜성계에서는 단일 항성계의 비중이 높은 편이다. 가장 가까운 단일 항성계인 바너드 별이 대표적이다. 대부분의 별들은 적색왜성이므로 이를 포함한 모든 항성계에서 쌍성(및 다중성계)의 비중은 40%에 불과하다.
3. 생명권의 존재
전통적으로 천문학 분야에서는 쌍성계의 경우 중력이 어지럽기 때문에 행성을 가질 수 없다는 추측이 지배적이었다. 하지만 외계 행성 탐사가 시작되고 쌍성계에도 행성이 존재함이 관측되면서 이런 추측은 설득력을 잃게 됐다.다만 항성이 2개 존재하는 대신 생명체가 살 수 있는 생명권 영역이 무지막지하게 좁아지는 효과가 있는 것으로 분석하고 있다. 설사 행성이 중력이 안정된 원형 궤도에 안착했다 하더라도 받는 빛의 양이 들쭉날쭉해서, 예를 들면 몇달~몇년 사이에 행성 표면의 평균온도가 수십~수백도를 오르락 내리락 할 수도 있다.[1] 그러므로 쌍성계에 고등 생명체가 거주할 수 있는 행성은 없을 것으로 추측되었으나, 최근에는 관측된 외계 행성 중 50% 이상이 쌍성계에 속해있고, 오히려 쌍성계가 태양풍을 줄여 생명체가 살기 좋다는 분석도 나오고 있다.
4. 쌍성의 분류
쌍성계는 아래 분류 중 두 개 이상의 속성을 함께 가지고 있을 수 있다.4.1. 겉보기 쌍성(Optical double)
보기에는 안시쌍성처럼 보이지만 실제로는 아무 관계도 없는 쌍성을 이렇게 부른다. 더 쉽게 말하자면 지구에서 볼 때는 바로 옆에 있는 것처럼 보여도 실제로는 뒤쪽에 위치한 별이 훨씬 밝고 몇백 광년 더 떨어져 있어서 쌍성처럼 보이는 경우다.4.2. 안시쌍성(眼視雙星, Visual binary)
말 그대로 눈으로 보이는 쌍성. 지구상에서 망원경으로 관측했을 때 두 별을 쌍성 형태로 분리해서 볼 수 있는 쌍성을 말한다. 망원경이 커지고 성능이 좋아짐에 따라서 안시쌍성의 수도 늘어난다.[2] 안시쌍성을 이루고 있는 두 별 중 밝은 쪽을 주성, 어두운 쪽을 반성이라고 한다.4.3. 분광쌍성(分光雙星, Spectroscopic binary)
두 별이 아주 가까이 붙어 있거나 지구로부터의 거리가 멀어서 분광계로 도플러 효과를 이용해야만 쌍성임을 확인할 수 있는 쌍성계를 말한다.두 별의 분광선이 모두 관측되어 특정 분광선이 둘로 갈라졌다가 다시 합쳐지기를 반복하는 것처럼 관측되는 경우는 이중선 분광쌍성, 한 별의 분광선만이 관측되는 경우는 단선 분광쌍성이라고 한다.
4.4. 스펙트럼 쌍성(Spectrum binary)
도플러 효과를 관찰할 수 없으나, 서로 다른 두 별의 스펙트럼이 겹쳐저 있는 것을 관찰할 수 있는 쌍성계를 말한다.4.5. 식쌍성(食雙星, Eclipsing binary)
쌍성의 공전 궤도가 관찰자의 위치와 수평을 이루어서 두 별이 식현상을 일으켜 밝기가 주기적으로 변화하는 쌍성을 말한다. 지구에서는 변광성으로 관측되며 식변광성이라고 한다. 대표적으로 알골이 있다.
4.6. 측성쌍성(Astrometric binary)
항성 하나가 어떠한 질량중심을 공전하는 것처럼 보이는데 동반성이 없는 것처럼 보이는 쌍성을 말한다. 이 경우 아래의 두 가지 가능성이 존재한다.- 어떠한 분광쌍성은 분명 도플러 효과를 보여주지만 분광선이 하나만 존재한다. 이것은 측정이 불가능한 동반성이 있다는 것을 의미한다. 왜성이나 중성자별, 블랙홀 등의 아주 어두우면서도 전자기파를 거의 발산하지 않는 별을 동반성으로 가지고 있을 가능성이 높다. 이것은 쌍성의 질량에 차이가 있어서 진화 과정의 속도가 다르기 때문이다. 함께 태어났어도 큰 별은 연료를 모두 소모하고 별의 시체만을 남긴 상태에서 동반성은 살아남아 있고, 그 두 별이 질량중심을 공전하는 상태인 것이다.
- 한 별이 다른 별에 비해 지나치게 밝아 동반성을 가리는 경우.
4.7. 과잉접촉 쌍성(過剩接觸 雙星 / Contact binary)
서로 붙어 있는 쌍성을 말한다. 이 경우 서로 합쳐지는 경우가 흔하다.그러나 이런 경우는 흔치 않다. 대표적으론 VFTS 352가 있다.
5. 유사한 경우
태양과 목성은 질량중심이 태양에서 살짝(대략 50000 km 정도) 바깥쪽에 있어 쌍성과 비슷하게 돈다. 하지만 목성이 핵융합을 일절 못하는 행성이기 때문에 이런 경우는 쌍성으로 치지 않는다.이중행성은 두 행성이 서로를 도는 것으로 행성판 쌍성이라고 볼 수 있다.
6. 각종 매체
우주가 배경인 SF, 스페이스 오페라나 지구가 아닌 판타지 이세계를 다루는 미디어믹스에서 항성을 묘사할 때 종종 두 개의 태양을 묘사하지만, 그렇다고 또 자주 나오는 설정은 아니다. 가장 유명한 사례를 꼽자면 스타워즈 세계관의 타투인이 있다. 닥터후에서 닥터의 고향인 갈리프레이도 쌍성계다.스포어(게임)에서 우주 단계를 할 때 각종 쌍성계를 볼 수 있다. 크고 뜨거운 청색 거성 둘에서 태양보다 작은 적색 왜성 둘까지 흔하게 볼 수 있다. 이런 곳에도 딸린 행성이 있긴 한데 너무 뜨겁고 대기가 없거나 너무 차갑고 대기가 너무 두껍거나 해서 생물이 살지 못하는 T0이 많다. 물론 플레이어가 테라포밍을 하면 생물이 살 수 있는 행성으로 개발할 수 있다.
아이작 아시모프의 단편 '전설의 밤(Nightfall)'의 배경이 6중성계에 속한 행성이며, 이 행성의 사람들은 밤의 개념을 알지 못하다가 공전주기상 6개의 해가 모두 지는 밤[3]이 몇천 년만에 오면서 대혼란이 벌어진다는 내용이다.
창세기전 시리즈의 주요무대인 안타리아 행성의 태양이 쌍성계다. 다만 게임상에선 알기 힘들고 창세기전 2 엔딩곡에 언급되는 정도지만 중요한 반전요소로 활용되었다.
7. 개별 문서가 있는 쌍성 목록
- 리겔
- 민타카
- 폴라리스
- 시리우스
- 아케르나르
- 안타레스
- 알골
- 알비레오
- 센타우루스자리 알파
- 카스토르
- 프로키온
- 1SWASP J093010.78+533859.5
- GJ 3483
- VV 시퍼이
- 백조자리 61
- 카우스 오스트랄리스
- VFTS 352
[1] 백조자리 16 Bb가 이런 경우로, 16 A의 중력 섭동에 의해 이심률이 큰 타원 궤도를 가지고 있는데 특이하게도 골디락스 존에 머물러있는 시간이 꽤 길다. 모천체인 b는 가스행성이므로 위성이 존재할 확률이 높고, 적당한 크기와 거리의 위성이 존재한다면 지구와 비슷한 환경을 가질수도 있다. 다만 b가 이심률이 큰 타원형 궤도를 가지는지라 모항성에 가까워져 여름이 되면 물이 모두 증발하고 수백도의 사막이 되었다가, 다시 멀어져 겨울이 되면 표면위의 모든 것이 얼어붙는 극한의 추위를 경험하게 된다. 이후 골디락스 존에 진입하면 지구와 비슷한 기온을 유지한다. 이런 극심한 온도 변화에도 물은 존재할 수 있다고 한다.[2] 이론상으로는 발견 초기에는 분광쌍성이나 측성쌍성이었던 쌍성이라도 관측 기술의 발전에 따라 안시쌍성으로 재분류될 수 있다. 다만 관측 기술이 단기간에 급격히 발전하지는 않으므로 그러한 일이 단기간에 일어나기는 어렵다.[3] 정확히 말하면 5개의 해가 지고 나머지 하나의 해는 다른 행성에 의해 식 현상이 일어난 것이다.