분광형

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분광형을 나타내는 삼각형 아이콘과 OBAFGKM 색상 배열

분광학 표기법과 별의 표면 온도에 따른 분광형, 흡수선의 세기로 우주의 구성 원소를 분석하는 내용을 설명합니다.

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분광 관측을 나타내는 삼각 프리즘과 세 가지 스펙트럼 띠 삼각형 안의 광원과 L∝R²T⁴ 수식, 광도와 슈테판·볼츠만 법칙 텍스트 적색 편이와 청색 편이를 나타내는 스펙트럼 화살표 아이콘

분광학 표기법

분광학(분광에 대해 연구하는 학문)에서 별의 스펙트럼을 분석할 때, 원자나 이온의 상태를 나타내는 방식이다.

중성 원자나 이온을 나타낼 때,
중성 원자인 경우 원소 기호 뒤에 로마자 I\mathrm{I}을,
전하가 +1+1인 경우 II\mathrm{II}를,
전하가 +2+2인 경우 III\mathrm{III}을 붙인다.

예를 들어, Ca+\mathrm{Ca}^{+}는 Ca II\mathrm{Ca\,II}로, Si2+\mathrm{Si}^{2+}는 Si III\mathrm{Si\,III}으로 나타낸다.

별의 표면 온도에 따른 흡수선

별의 대기에 특정 원소가 존재하더라도, 표면 온도가 너무 낮으면 원자가 특정 파장의 빛을 흡수할 만큼의 에너지를 얻지 못한다.

이 경우 중성 원자는 빛을 흡수하지 못하고, 전자가 떨어져 나갈 만큼 충분한 에너지를 얻지 못해 이온도 만들어지지 않는다.

반대로 표면 온도가 너무 높으면 전자가 원자로부터 떨어져 나가면서 중성 원자가 이온으로 바뀌거나 전하가 +1+1인 이온(II)(\mathrm{II})이 +2+2인 이온(III)(\mathrm{III})이 된다.
이에 따라 해당 물질의 수가 줄어들어 흡수선의 세기가 약해진다.

그러므로 물질별로 별의 표면 온도에 따라 서로 다른 흡수선의 세기를 갖는다.


별의 표면 온도에 따른 분광형별 상대적 세기 그래프

분광형

별의 표면 온도에 따른 스펙트럼을 O\mathrm{O}, B\mathrm{B}, A\mathrm{A}, F\mathrm{F}, G\mathrm{G}, K\mathrm{K}, M\mathrm{M}형으로 분류한 것이다.

O→B→A→F→G→K→M\mathrm{O} \rightarrow \mathrm{B} \rightarrow \mathrm{A} \rightarrow \mathrm{F} \rightarrow \mathrm{G} \rightarrow \mathrm{K} \rightarrow \mathrm{M} 순으로 갈수록 표면 온도가 낮아진다.

별의 표면 온도에 따라 흡수선의 세기가 다르기 때문에 다양한 스펙트럼 모습이 나타난다.

분광형 색깔 표면 온도$(\mathrm{K})$ 스펙트럼 모습
$\mathrm{O}$ 파란색 $28000$ 초과 연속 스펙트럼 위에 표시된 수소선과 헬륨선의 위치$30000\,\mathrm{K}$
$\mathrm{B}$ 청백색 $10000\sim28000$ 색상 연속 스펙트럼에 표시된 H선과 C선 위치$20000\,\mathrm{K}$
$\mathrm{A}$ 흰색 $7500\sim10000$ 색 띠에 칼슘선과 철선의 흡수선 위치를 표시한 스펙트럼$10000\,\mathrm{K}$
$\mathrm{F}$ 황백색 $6000\sim7500$ 색 띠에 철선, 산소선, 마그네슘선, 나트륨선이 표시된 분광형 도표$7000\,\mathrm{K}$
$\mathrm{G}$ 노란색 $5000\sim6000$ 연속 스펙트럼에 검은 흡수선이 표시된 O선 분광형 그림$6000\,\mathrm{K}$
$\mathrm{K}$ 주황색 $3500\sim5000$ 색상 연속 스펙트럼에 여러 검은 흡수선이 표시된 띠$4000\,\mathrm{K}$
$\mathrm{M}$ 붉은색 $3500$ 미만 보라색에서 적색으로 이어지는 연속 스펙트럼과 검은 흡수선$3000\,\mathrm{K}$

같은 분광형 안에서 표면 온도를 더 자세히 나타내고 싶은 경우,
분광형 뒤에 00에서 99까지의 숫자를 붙이며, 숫자가 작을수록 표면 온도가 더 높다.

예를 들어, 분광형이 A0\mathrm{A0}인 별은 A7\mathrm{A7}인 별보다 표면 온도가 높다.

분광형에 따른 흡수선의 세기


분광형에 따른 별 표면온도 상대 세기 스펙트럼 그래프

표면 온도가 약 10000 K10000\,\mathrm{K}인 A0\mathrm{A0}형 별에서는 H I\mathrm{H\,I} 흡수선이 가장 강하게 나타난다.

태양은 표면 온도가 약 5800 K5800\,\mathrm{K}인 G2\mathrm{G2}형에 해당하는 노란색 별로, Ca II\mathrm{Ca\,II} 흡수선이 가장 강하게 나타난다.

천체의 스펙트럼 분석을 통해 구한 현재 우주의 구성 원소

흡수선의 세기는 별의 표면 온도뿐만 아니라 원자 수에 의해서도 달라지는데,
원자 수가 많을수록 특정 파장의 빛을 더 많이 흡수하므로 흡수선이 강하게 나타난다.

따라서 별의 표면 온도와 흡수선의 세기를 함께 고려하면 원자 수를 구할 수 있고,
수많은 천체를 분석한 결과 현재 우주는 수소와 헬륨의 원자 개수비가 약 12:112:1임을 알 수 있었다.

여기에 원자량(수소: 11, 헬륨: 44)을 곱하면 질량비는 약 (12×1):(1×4)=3:1(12 \times 1):(1 \times 4) = 3:1이 된다.

수소 74%, 헬륨 24%, 기타 2%로 나눈 원그래프

현재 우주의 구성 원소를 질량비로 나타내면 수소가 약 74 %74\,\%, 헬륨이 약 24 %24\,\%, 기타가 2 %2\,\%이다.

시뮬레이션


적용 문항

1번 문항


별의 분광형에 따른 흡수선 상대 세기 그래프와 보기형 문항

2번 문항


별의 분광형에 따른 흡수선 세기 그래프와 물리량 표를 이용한 문항