프록시마 센타우리는 어떻게 강한 플레어를 일으킬까?
프록시마 센타우리의 질량은 태양의 약 12%, 반지름은 약 14%뿐이다. 하지만 별이 작다고 해서 늘 조용한 것은 아니다. 프록시마 안에서는 뜨거운 기체가 올라오고 식은 기체가 내려가는 움직임이 내부의 거의 모든 곳에서 이어진다. 이 움직임과 자전이 강한 자기장을 만들고, 그 자기장에 쌓인 에너지가 갑자기 풀리면 자외선·X선·전파가 크게 늘어나는 플레어가 일어난다.
프록시마는 태양에서 약 4.24광년 떨어진, 태양 다음으로 우리와 가까운 별이다. 알파 센타우리 A·B와 중력으로 묶여 있지만, 태양과 비슷한 A·B와 달리 훨씬 작고 어두운 적색왜성이다. 별이 내는 전체 빛으로 계산한 표면 온도는 약 2,900K, 섭씨로 약 2,600도다. 가시광선보다 눈에 보이지 않는 적외선을 더 많이 낸다.
- 약 4.24광년 태양에서 프록시마 센타우리까지의 거리
- 태양의 약 12% 관측 자료와 별의 모형으로 계산한 질량
- 태양의 약 14% 관측 자료와 별의 모형으로 계산한 반지름
- 약 2,900K 섭씨로 약 2,600도인 표면 온도
프록시마 센타우리는 태양과 무엇이 다를까?
태양에서는 중심에서 만들어진 에너지가 바깥으로 나오는 방식이 내부 구역마다 다르다. 프록시마처럼 질량이 매우 작은 별은 뜨거운 기체가 오르고 식은 기체가 내려가는 대류가 내부 대부분에서 일어난다고 본다. 이 움직임은 수소를 별 안에서 넓게 섞는다. 그래서 중심에 있는 수소부터 먼저 쓰는 태양과는 나이가 들며 변하는 과정도 다르다.
질량이 작으면 중심 온도가 낮고 수소를 에너지로 바꾸는 핵융합도 느리다. 프록시마는 태양보다 훨씬 어둡지만 연료를 천천히 사용하므로, 이론상 태양보다 훨씬 오랫동안 수소 핵융합을 이어갈 수 있다. 우주의 나이는 약 138억 년으로 그보다 짧기 때문에, 이런 적색왜성의 마지막 모습은 아직 직접 본 적이 없고 별의 변화 모형으로만 예측한다.
프록시마가 한 번 자전하는 데 걸리는 시간은 약 90일로, 태양의 약 25일보다 길다. 그래도 자기 활동은 활발하다. 별 안의 뜨거운 기체에는 전기를 띤 입자가 있고, 이 기체의 움직임과 자전이 함께 자기장을 만든다. 표면의 흑점과 밝은 영역도 별이 돌 때마다 밝기와 별빛의 색을 조금씩 바꾼다.
플레어는 얼마나 빠르게 밝아지고 사라질까?
연구진은 2019년 약 40시간 동안 프록시마를 자외선·가시광·전파 등 여러 파장에서 동시에 관측했다. 그중 가장 강한 플레어가 일어났을 때 자외선 밝기는 잠시 평소의 약 1만4,000배까지 증가했다. 이 수치는 별의 평균 밝기가 늘 그만큼 높다는 뜻이 아니라, 짧은 폭발의 최고값이다.
같은 플레어라도 관측하는 빛의 종류에 따라 밝아지는 시점과 정도가 다르다. 자외선과 X선은 별 바깥쪽의 뜨거운 기체를, 전파는 빠르게 움직이는 전자와 자기장의 상태를 알려 준다. 한 종류의 빛만 보면 폭발이 낸 에너지와 입자의 움직임을 모두 알 수 없기 때문에 여러 빛을 동시에 관측한다.
프록시마 센타우리는 작고 평소에는 어둡지만, 자기장에 쌓인 에너지가 한꺼번에 풀릴 때는 강한 플레어를 일으킨다.
플레어는 주변 행성의 대기에 어떤 영향을 줄까?
프록시마 b와 d는 별에 매우 가깝게 돈다. 따라서 같은 세기의 플레어라도 지구가 태양에서 받는 것보다 훨씬 강한 자외선과 X선에 노출될 수 있다. 에너지가 강한 빛은 대기 분자를 쪼개 어떤 기체가 얼마나 있는지를 바꾸고, 오랜 시간에는 대기 일부가 우주로 빠져나가게 할 수 있다.
그러나 강한 플레어가 있다고 해서 대기나 생명이 없다고 바로 결론 내릴 수는 없다. 플레어가 얼마나 자주 일어나는지, 입자가 얼마나 많이 날아오는지, 처음에 대기가 얼마나 두꺼웠고 어떤 기체로 이루어졌는지에 따라 결과가 달라진다. 행성의 자기장이나 내부에서 새 기체가 나오는 현상도 영향을 줄 수 있다. 프록시마 행성들의 대기는 아직 직접 발견되지 않았기 때문에, 현재 연구는 여러 가능한 조건에서 대기가 어떻게 변하는지를 비교한다.
2019년의 약 1만4,000배는 자외선에서 측정한 짧은 최고 밝기다. 가시광을 포함한 모든 파장에서 같은 비율로 밝아졌거나 그 상태가 오래 이어졌다는 뜻이 아니다.
별의 활동과 행성 신호를 어떻게 구분할까?
행성의 중력은 프록시마를 조금씩 앞뒤로 움직인다. 이때 별이 지구 쪽으로 움직일 때와 멀어질 때 별빛의 색에 미세한 차이가 생긴다. 하지만 흑점과 밝은 영역도 별이 자전할 때 비슷한 차이를 만들 수 있다. 플레어가 일어난 동안 기록한 별빛도 평소 자료와 똑같이 다루면 안 된다.
연구진은 여러 종류의 빛에서 잰 별의 속도와 밝기 변화, 자기 활동을 함께 비교한다. 행성이 만든 변화라면 같은 주기가 오랫동안 일정하게 반복돼야 한다. 흑점이나 플레어가 강해질 때 함께 달라지는 신호는 별이 만든 것으로 보고 따로 계산한다. 프록시마 b와 d를 확인할 때 서로 다른 장비로 오랫동안 관측한 이유다.
- 평소의 별빛을 잰다 별의 온도와 성분, 자전과 기본적인 자기 활동을 측정한다.
- 여러 종류의 빛을 함께 본다 한 플레어가 자외선·가시광선·전파에서 어떻게 달라지는지 기록한다.
- 자전 때문에 생긴 변화를 찾는다 흑점과 밝은 영역이 약 90일마다 되풀이되는지 확인한다.
- 행성이 만든 주기를 따로 찾는다 별 활동과 다른 11.2일·5.12일 주기가 여러 장비에서 반복되는지 확인한다.
망원경으로 프록시마의 표면을 볼 수 있을까?
Hubble로 찍은 프록시마 센타우리도 둥근 별 표면이 아니라 밝은 점과 빛살 무늬로 보인다. 별의 실제 원반이 너무 작아서 흑점이나 플레어가 일어난 위치를 사진에 담을 수 없다. 질량·반지름·온도·자전은 거리와 밝기, 별빛의 색을 측정한 결과에 별의 모형을 더해 계산한다.
‘적색왜성’이라는 이름도 사람이 선명한 붉은 표면을 보았다는 뜻이 아니다. 온도가 낮아 태양보다 파장이 긴 빛을 더 많이 내는 별을 가리키는 분류 이름이다. 페이지의 별 그림은 측정값을 바탕으로 만든 시각 자료이며 실제 표면 사진이 아니다.
가까운 별을 관측하면 무엇을 더 알 수 있을까?
4.24광년은 현재 우주선으로 빠르게 갈 수 있는 거리는 아니지만, 다른 별보다 밝게 관측돼 반복해서 측정하기에는 유리하다. 작은 플레어가 얼마나 자주 일어나는지, 자전과 자기 활동이 오랜 시간에 걸쳐 어떻게 달라지는지, 행성 때문에 별이 얼마나 흔들리는지를 계속 확인할 수 있다. 이렇게 모은 자료는 작은 적색왜성의 활동이 행성 관측을 어떻게 방해하고 주변 행성의 대기에 어떤 영향을 줄 수 있는지 밝히는 데 쓰인다.
출처
- NASA Science — Proxima Centauri
- NASA — Alpha Centauri: A Triple Star System
- ESA — Proxima Centauri, Our Nearest Neighbour
- NASA Science — Neighboring Star’s Bad Behavior
- NASA Science — Puny Stars Pack a Big Punch
- Astronomy & Astrophysics — Proxima Centauri Stellar Parameters
- Astronomy & Astrophysics — Proxima Centauri with NIRPS