적색거성

赤色巨星 / Red giant
적색거성은 태양 질량의 0.25~8배[2]의 별들이 거치는 후기 진화단계이다. 크기가 매우 거대하고 표면 온도가 낮은 탓에 붉은 색을 띄어 '적색거성(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.

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 꺠고 항성의 외피층을 크게 팽창시키게 된다. 이 때, 항성의 반지름이 커진 만큼 표면온도는 낮아져 스펙트럼상 붉은 색을 띄고, 표면적은 늘어 전체적인 광도는 증가한다. 이 상태에 이른 항성을 적색거성이라고 부른다.

항성의 중심핵 성분이 수소에서 헬륨으로 상당수 바뀌었다면 이후 항성은 질량에 따라 각각 운명이 달라진다.

태양 질량의 0.25배 ~ 0.5배 정도 되는 항성들은 헬륨 핵융합까지 발생할 환경이 구성되지 못하지만, 후기 진화과정에서 표면의 불투명도가 크게 오르므로 태양 지름의 5~10 배[3] 지름을 가진 적색거성으로 팽창할 수 있다. 그러나 적색거성가지(RGB)를 끝까지 오르지 못한 채 헬륨 백색왜성으로 진화하며 외피층은 행성상 성운을 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 백색왜성은 존재하지 않는다.

  자세한 내용은 헬륨 섬광 문서 참고하십시오.

  자세한 내용은 수평가지 문서 참고하십시오.

위와 같이, 이 단계의 별들은 극도의 압력으로 축퇴된 탄소핵[4]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 탄소와 산소핵으로 이루어진 중심핵만 남게 되어, 결국 탄소-산소 백색왜성을 이루게 된다.

태양 질량의 7~8배 이상의 거대한 별들의 다음 진화단계는 적색 초거성 문서로.

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.

  자세한 내용은 뜨거운 준왜성 문서 참고하십시오.

표면적이 지나치게 늘어 끊임없이 질량이 손실되기 때문에 별의 외피층이 구형을 이루지 못한다. 따라서 주계열성들과 같은 매끈한 구형이 아닌, 거품이 끓는 울퉁불퉁한 모습을 하게 된다. 베텔게우스가 대표적인 사례.


말세
한편 태양 역시 시간이 지나면 적색거성 단계를 거치게 되는데 만일 지구가 1번째 적색거성 단계에서 살아남는다면 바다가 모두 증발하고 하늘의 대부분을 태양이 뒤덮으며, 금성과 같은 환경이 될 것으로 예상된다.[5]

모든 항성은 결국 적색거성 또는 적색초거성이 되리라는 통념이 있지만, 예외인 항성들이 존재한다.

태양 질량의 0.25배 미만의 항성들은 수명을 다 해도 표면의 불투명도가 크게 오르지 않으므로 적색거성 대신 표면 온도가 올라가는 청색왜성 단계를 거치며, 헬륨핵의 크기가 점차 늘어나 표면까지 도달하게 되면 행성상 성운[6]을 남기지 않고 바로 헬륨 백색왜성으로 진화한다.

반면 극히 무거운 별들은 적색거성/초거성 단계를 건너뛰고 바로 볼프-레이에별로 진화할 수 있다.

2018년 공개된 중국 SF영화 유랑지구는 적색거성화된 태양으로부터 지구를 탈출시키는 것을 모티브로 삼는다.

2019년에 지구의 물질 중 일부는 적색거성의 잔해에서 나왔다는 설이 제시되었다.#

적색거성에 흡수된 천체가 모두 소멸하는 것은 아니다. 목성 질량 20배 이상의 갈색왜성은 중심핵과 충돌하지 않는 한 소멸하지 않으며, 적색거성이 행성상 성운과 백색왜성으로 진화하면 풀려난다. 백색왜성의 경우 적색거성에 흡수시 적색거성에 의해 직접적으로 소멸되지 않지만, 백색왜성이 적색거성의 물질을 끌어모으기 때문에 초신성 폭발로 이어져 소멸한다.

적색거성이 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.

주위에 행성이 있을 경우 팽창하면서 행성을 집어삼키는 경우가 빈번하다.