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크기 비교 사진. 아래 쪽에서부터 지구, 목성, 갈색 왜성, 저질량 항성(적색 왜성), 그리고 태양이다.
褐色倭星 / Brown Dwarf
1 개요
왜성의 한 종류.
갈색 왜성은 태양 질량의 1.2~7.5% [1]의 질량을 가지고 있으며, 질량이 가볍기 때문에 핵에서 연속적인 수소 핵융합 반응을 하지 못하고 중수소나 리튬[2]만을 태울 수 있는 천체이다. 말하자면 준항성체라고 할 수 있다. 다만 발견사례의 대부분은 행성처럼 모항성을 공전하는 경우가 많다. 목성 질량의 13배 이하인 천체는 준갈색왜성이라 부르는데 크기가 큰 행성으로 보기도 한다.
갈색 왜성은 표면온도가 낮아 보통 적외선 영역을 위주로 빛을 발산하므로 적외선 영역으로 관측한다. 질량과 크기, 표면온도가 낮기 때문에 광도는 매우 어두워 고성능 망원경으로만 관측이 가능하다.
2 종류
주로 L, T, Y의 3개의 분광형으로 분류된다.
L형은 표면 온도가 가장 뜨거워 1,300K~2,000K 정도이고, T형은 700~1300K, 가장 차가운 Y형의 경우 ~700K 의 온도를 갖는다. 크기가 작은 왜성의 경우 표면 온도가 아예 섭씨 영하까지 내려가기 때문에 항성으로 분류하기 참 애매해진다.
추가로 Late-M dwarf라 하여 M형 분광형 뒤쪽에 붙어있는 갈색 왜성들도 있다. 탑클래스 예를 들면 티가든의 별. 이러한 별들은 태어나지 얼마 되지 않아 수축하는 수축열로 인해 뜨겁다. 덕분에 갈색왜성들은 태어나지 얼마 되지 않은 별들은 분광형 M을 나타내며 질량에 따라 온도도 다른데 큰 질량은 수축열도 크므로 분광형 M5까지도 나타나며 작은 질량은 수축열도 작아 M8을 나타낸다. 이후 나이가 들면서 점점 식어 M9을 거쳐 L형으로 내려가게 된다. [3]
3 밀도
갈색왜성은 질량이 커질수록 밀도가 커진다. 수소 핵융합을 못하기 때문에 핵융합으로 인한 확장력이 작다. 즉 리튬과 중수소를 태우는 정도로는 내부의 확장력이 작다는 뜻. 예를 들어 목성 질량의 13배의 갈색왜성의 지름은 보통 목성의 2배이지만 40배가 넘어가면 1.4배로 줄어든다. 70배가 넘어가면 1.1배로 줄어든다. 즉 목성 질량의 70배의 갈색 왜성의 평균 밀도는 물 밀도의 70배나 된다는 뜻이다.
이러한 이유는 갈색 왜성의 질량에 비해 핵융합이 약해 확장량이 적기 때문이다.
하지만 이것도 내부에 연료가 있을 때의 이야기이다. 갈색 왜성은 질량이 목성의 13배가 넘으면 중수소와 헬륨-3를 태울 수 있고 65배를 넘으면 리튬, 70배를 넘으면 붕소와 베릴륨을 태워 헬륨-4로 만들 수 있다. 하지만 이런 소량의 연료가 고갈되면 갈색왜성은 덩치가 더 줄어 더 이상 안줄어들때까지 줄어들게 된다.
대략 목성 질량의 13배의 갈색왜성은 목성 지름의 1.5배까지, 40배의 질량은 목성 지름의 94%까지 줄어 오히려 목성보다도 작아진다. 70배의 질량을 가진 갈색 왜성은 지름이 10만km까지 줄어드는데 이는 목성의 70% 수준까지 줄어드는 것이다.
목성보다도 쬐끄만 별이 있다. 이 별 이름은 2MASS-J0523-1403이라고 하는데 적색왜성이고 12만km밖에 되지 않는다.
따라서 연료가 고갈된 목성의 70배의 갈색 왜성의 밀도는 평균 물 밀도의 260배까지 높아진다는 뜻이 된다.
하지만 갈색왜성은 질량이 작기 때문에 내부 중심 밀도나 평균 밀도가 그렇게 많이 차이나지는 않는다.
연료가 고갈된 최대 질량의 갈색 왜성의 내부 밀도는 물 밀도의 950배를 넘지 않기 때문에 평균 밀도와 최고 중심부의 밀도가 3.7배가 채 되지 않는다.
4 기타
현재 우리 은하의 주계열성은 4천억개지만(이중 적색왜성이 95.8%를 넘는 대다수를 차지하지만) 갈색왜성의 수는 8천억개가 넘을 것으로 예상된다. 하지만 광도가 어둡기 때문에 발견하기 힘들어 비교적 가까운 거리의 갈색왜성만 발견되고 있다. 예를 들자면 일명 'Luhman 16'.]
미래의 우주에는 갈색왜성이 압도적으로 많이 생성될 것이다. 100억년 후 우주에는 주계열성이 10개 생성될 때 갈색왜성은 300개 이상 생성될 것이다. 특히 질량이 큰 갈색왜성보다 질량이 작은 갈색왜성이 많이 생성되기 때문에 먼 미래가 되면 질량이 작은 갈색왜성이 대다수를 차지할 것이다.
지구 멸망 시나리오에서, 태양의 쌍성인 갈색 왜성 때문에 오르트 구름에서 혜성 샤워가 쏟아져서 주기적인 대멸종을 일으키다는 네메시스 가설이 있다.