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항성풍의 특성과 구조

by #$✶ΩΩ✶ 2021. 4. 20.

항성풍이란 복사압에 의해 항성의 대기 상부에서 일어나는 거대한 질량 손실이다. 항성풍은 크게 두 개의 특성으로 정의되는데 질량 손실률(Mass loss rate)과 말단 항성풍 속도(Terminal velocity,)이다. 분광형이 다른 항성은 다른 특성을 가진 항성풍을 내보낸다. 예를 들면, 분광형이 A형보다 만기형의 별들의 경우에는 적색거성과 적색 초거성의 단계, 점근거성가지(AGB)와 같은 주계열 이후 단계에서 많은 양의 질량을 손실하고 무겁고 느린 항성풍을 내보낸다. 항성풍에 의한 질량 손실은 별의 질량이 무거울수록 증가하여, 우주선 에너지 생성에 더욱 중요한 역할을 한다. 질량이 큰 조기형(O, B형) 별들의 경우에는 주계열과 적색 초거성 단계의 항성풍이 우주선 가속에 있어서 중요하다고 알려져 있다. 한편, 25M보다 무거운 별에서는 울프레이(Wolf-Rayet, WR) 단계의 항성풍이 중요한데, 이 단계에서는 질량 손실률을 가지며 초당 수천 킬로미터의 매우 빠른 말단 항성풍 속도를 가진다. 이러한 고에너지 항성풍은 주변의 성간물질로 팽창하며 밀도가 낮고 온도가 높은 항성풍 버블을 만들게 된다. 무거운 별의 진화 경로를 살펴보면 매우 뜨거운 광구에서 항성풍이 방출되면서 외피부가 순차적으로 방출되는데, 처음에는 수소의 CNO 순환 연소로 인해 만들어진 질소가 풍부한 WN형 상태를 보이다가, 이후 헬륨이 타면서 풍부해진 탄소와 산소의 방출선이 강한 WC, WO형으로 진화한다. WNL 형은 He과 N의 강한 방출선을 보이면서 수소선을 보이는 것이고, WNE는 WNL과 비슷하지만 수소선이 없는 것이다.

대부분의 항성은 진화 단계를 거치며 많은 질량손실을 겪는다. 굉장히 질량이 큰 별의 경우, 굉장히 많은 질량 손실이 일어나며 특히 주계열을 떠나면 이러한 질량 손실이 증가한다. 특히 무거운 항성 주변의 고리 모양 성운이나 WR별을 둘러싼 HII영역인 LBV(Luminous blue variable)에서는 많은 질량 손실이 일어난다. 질량을 가지는 별들은 O형 주계열에서 LBV 혹은 적색거성으로 진화한다. 이후 WR별로 진화하였다가 초신성의 진화 단계를 거친다. 질량이 25M보다 작은 별들은 WR단계를 거치지 않으며, 40M보다 무거운 별들은 LBV 단계 이후 적색 초거성 단계를 거치지 않고 WR 단계로 진화한다고 알려져 있다. 항성에서 발생하는 막대한 질량 손실은 주변부의 물질과 만나게 되며 거품 모양의 구조를 형성하게 되는데 이를 항성풍 버블이라고 부른다.

무거운 별들은 풍부한 자외선을 방출하여 주변의 성간물질을 광이온화하여 먼저 HII영역을 형성하며, HII영역 밖의 중성기체에 충격파를 내 보낸다. 항성풍은 HII 영역 안의 이온화된 가스를 쓸고 지나간다. 항성풍은 초음속으로 주변 물질을 지나가는데 이때의 음속은 대략적으로 초당 15 km의 수준을 보인다. 항성풍은 두 가지 종류의 충격파를 만든다. 하나는 전진 충격파이고, 다른 하나는 후진 충격파이다. 전진 충격파(forward shock)는 주변 물질을 쓸고 지나가며 가속되고, 이를 압축하고 가열하며, 후진 충격파(reverse shock)는 항성풍을 압축하고 감속시키며 가열한다. 이것은 항성풍을 끝낸다는 의미로 말단 충격파(Termination shock)이라고도 한다. 주계 열성의 항성풍은 밀도가 일정한 주변부와 상호작용한다. 그리고 에너지도 전달한다. 전진 충격파에 의해 가열된 높은 온도가 여전히 남아 있으면 energy-driven 흐름이 형성된다. 이때 충격파가 지나가 뜨겁게 데워진 지역과 맞닿아 있는 지역에서는 열전도에 의해 뜨거운 버블의 온도가 낮아지며 밀도가 증가하게 된다. 말단 충격파에 의해 가열된 항성풍은 팽창하며 버블을 형성한다. 말단 충격파에서 가장 효율적으로 우주선의 가속이 일어난다. 항성풍 버블의 구조는 다양한 유체역학적 과정들이 포함된다. 첫 번째로, 구형 대칭의 복사냉각 과정이 있다. 처음은 전체적으로 단열적으로 변화하지만 Falle(1975)에 의하면 충격파가 쓸고 지나간 ISM은 복사냉각이 일어난다. Arthur (2006)은 40M의 항성풍 버블의 구조를 수치모델링하였으며 이의 주계열, 적색거성, WR단계에서의 구조를 보여준다. 첫 두 단계는 구형 대칭을 이용한 1차원 시뮬레이션을 하였고, WR단계는 실린더 대칭을 이용하여 2차원으로 시뮬레이션하였다. 복사냉각과 광이온화 가열도 고려하였으며 열전도와 자기장은 포함되지 않았다. 질량 손실률과 항성풍의 속도는 상수로 가정하였고 주변 물질은 일정한 온도와 밀도를 가정하였다.