백색왜성 WDJ1330+6435, 초록색으로 빛나는 이유와 소행성 잔해의 단서

별의 색깔을 결정하는 가장 중요한 요소는 온도입니다. 진행자는 "별의 색깔을 이야기할 때 가장 먼저 등장하는 건 온도입니다"라고 언급하며, 쇠를 달구면 온도가 오를수록 붉은색에서 주황빛, 하얀색으로 변하는 것처럼 별빛의 분포도 온도에 따라 달라진다고 설명했습니다.

온도가 낮은 별은 붉은색이나 주황빛을 띠고, 태양과 같은 별은 흰색에 가깝습니다. 온도가 더 높은 별은 푸른빛이 도는 흰색으로 관측됩니다. 이러한 별빛의 분포는 이상적인 물체인 '흑체(Black body)'가 내는 빛과 매우 유사하며, 흑체는 들어오는 빛을 모두 흡수하고 자신의 온도에 따라 정해진 분포로 빛을 내는 물체입니다. 따라서 별의 색은 표면 온도를 짐작하는 중요한 단서가 됩니다.

일각에서는 태양이 초록색 별이라는 이야기가 나오기도 합니다. 이는 태양빛을 파장별로 나누었을 때 약 500nm 부근인 초록색에서 빛의 봉우리가 나타나기 때문입니다. 하지만 진행자는 "우리 눈은 그래프의 꼭대기 하나를 골라서 색을 판단하지는 않거든요"라고 설명하며, 단순히 가장 높은 파장만으로 색을 인식하지 않는다고 밝혔습니다.

우리 눈의 망막에는 색을 구분하는 세 종류의 원뿔 세포가 있어 각각 긴 파장, 중간 파장, 짧은 파장의 빛에 민감하게 반응합니다. 이 세포들의 반응 범위가 넓고 서로 겹치기 때문에, 우리 뇌는 세 종류의 세포가 반응한 정도를 비교하여 색을 느끼게 됩니다. 태양빛에는 초록색뿐만 아니라 빨강, 파랑을 비롯한 여러 파장의 빛이 충분히 섞여 있어, 그 빛이 만드는 반응의 조합을 우리 눈은 대체로 흰색으로 받아들이게 됩니다. 지구 대기의 영향을 제외하고 우주에서 태양빛이 흰색에 가까운 이유가 바로 여기에 있습니다.

별에서 초록색을 보기 어려운 것은 흑체 복사의 특성과 관련이 있습니다. 초록빛은 우리가 볼 수 있는 파장 범위의 가장 가운데에 위치합니다. 흑체의 빛은 넓은 파장 범위에 걸쳐 나오기 때문에, 봉우리가 초록색 부근에 놓이면 그 양옆의 붉은빛과 푸른빛도 함께 많이 방출됩니다. 이로 인해 초록빛만 다른 빛보다 압도적으로 두드러지는 분포가 만들어지지 않습니다.

진행자는 "온도를 바꿀 때 흑체의 색이 어떻게 달라지는지를 계산을 해보면 붉은색에서 주황빛과 흰색을 거쳐서 연한 푸른색으로 이어집니다. 초록색은 이 경로에 들어가 있지 않죠"라고 설명했습니다. 즉, 온도가 변하면서 나타나는 흑체의 색깔 변화 경로에 초록색이 포함되지 않으므로, 일반적인 별에서는 초록색을 보기 어렵습니다. 물론 우주 사진에서 초록색이 자주 등장하기도 하지만, 이는 가스 구름이 특정 파장의 빛을 강하게 내거나 관측 데이터를 구분하기 위해 색깔을 입힌 경우로, 실제 사람 눈으로 보는 색과 같지는 않습니다.

온도에 따른 빛의 분포에서 벗어나 다른 파장의 빛이 충분히 약해진다면 별빛 자체가 초록색으로 보일 수 있습니다. 이러한 조건을 갖춘 백색왜성이 바로 WDJ1330+6435입니다. 영국 워릭대학교의 마크 올렌즈 박사 연구팀은 용자리 방향, 지구에서 약 280광년 떨어진 이 백색왜성이 사람 눈에 연두빛이 도는 초록색으로 보일 것이라는 연구 결과를 2026년 10월 15일 학술지에 발표했습니다.

백색왜성은 태양과 같은 별이 진화의 마지막 단계에서 바깥층을 모두 날려 보낸 후 남긴 중심부로, 중심에서의 핵융합을 마친 뒤에도 남아 있는 열을 서서히 내보내며 식어가는 천체입니다. 이 백색왜성의 크기는 지구 정도이지만 질량은 태양의 절반 이상으로, 아주 작은 공간에 엄청난 질량이 모여 있어 표면 중력이 매우 강합니다. 이번에 분석된 백색왜성의 표면 온도는 약 4,240K(섭씨 약 3,970도)로, 일반적인 별이라면 주황빛을 띨 만한 온도입니다. 이 별의 대기는 주로 헬륨으로 이루어져 있으며, 소디움(나트륨), 칼슘, 리튬과 같은 원소가 소량 섞여 있습니다.

연구진은 이미 관측해 둔 별빛의 스펙트럼과 대기 모형을 사용하여 이 별이 초록색으로 보일 것이라는 사실을 알아냈습니다. 스펙트럼은 빛을 파장별로 나누어 어떤 빛이 얼마나 들어 있는지를 보여주는 자료이며, 여기에 사람의 색깔 인식을 나타내는 국제조명 위원회의 표준을 적용하여, 사람이 이 별을 충분히 가까이서 색을 구분할 수 있는 조건으로 보았을 때 어떤 색으로 느낄지를 계산했습니다. 비록 이 백색왜성은 지구에서 맨눈으로 볼 수 없을 만큼 어둡고 망원경으로 보더라도 사람의 눈이 색을 구별하기 어렵지만, 연구진은 관측된 스펙트럼을 이용해 그동안 눈으로 알아보기 어려웠던 색을 이론적으로 계산해냈습니다.

이 백색왜성이 초록빛을 띠게 된 물리적인 이유는 빽빽한 대기입니다. 진행자는 "소디움 원자 주변에 헬륨 입자들이 아주 가까이 모여 있으면 서로의 상호 작용이 소디움 원자의 에너지 상태에 영향을 주게 됩니다. 그 결과 소디움이 빛을 흡수하는 범위가 넓게 퍼지게 됩니다. 가느다란 줄이었던 흡수선이 넓은 띠로 번지는 거죠"라고 설명했습니다. 이는 보통 별의 좁은 파장 구간이 어두워지는 정도로는 별빛 전체 색깔이 크게 달라지지 않지만, 이 백색왜성에서는 흡수 범위가 훨씬 넓어지기 때문입니다.

소디움은 약 589nm의 노란 빛을 강하게 흡수하거나 방출하는 원소인데, 이 별에서는 소디움의 흡수가 주변 파장까지 크게 넓어지면서 노랑, 주황, 붉은색 계열의 빛을 약하게 만듭니다. 여기에 칼륨이 보라색 쪽 빛을 추가로 흡수하여 별에서 빠져나오는 빛의 비율이 달라지게 됩니다. 그 결과 초록색 부근의 빛이 상대적으로 두드러지게 되어, 여러 파장을 합친 전체의 빛을 사람 눈의 반응으로 계산했을 때 연두빛으로 나타나게 되는 것입니다. 연구팀은 이 대기 모형으로 별의 원반을 가까이에서 본 모습도 재현했는데, 가운데는 연한 초록색이고 가장자리로 갈수록 색이 옅어지며 아주 바깥쪽 얇은 테두리에는 주황빛도 나타나는 것으로 확인했습니다.

백색왜성의 세계에서는 온도뿐만 아니라 대기의 밀도와 성분도 별의 색깔에 큰 영향을 미칩니다. 진행자는 "백색 외성의 세계는 온도뿐 아니라 대기의 밀도와 성분도 큰 영향을 줄 수가 있는 거죠"라고 언급했습니다. 예를 들어, 표면 온도가 약 4,000K인 또 다른 백색왜성은 헬륨 대기에 소디움이 섞여 있지만 소디움의 흡수가 훨씬 강하게 나타나 가시광선 가운데 부근까지 크게 약해지면서 선명한 파란색으로 보일 것으로 예측되었습니다. 또한 대기에 유입된 탄소가 넓은 흡수띠를 만들면서 빛의 조합을 바꿔 분홍색이나 보라색으로 보이는 백색왜성도 있었습니다.

하지만 백색왜성 대부분이 이렇게 알록달록한 것은 아닙니다. 연구팀이 태양에서 약 65광년 이내에 있는 백색왜성 152개의 색깔을 계산한 결과, 147개는 흑체가 나타낼 수 있는 색과 가까웠으며, 그중 대표적인 색은 흰색에 가까웠습니다. 흑체의 색에서 크게 벗어난 다섯 개는 노란색 두 개와 분홍색 세 개였습니다. 이번에 발견된 초록빛 백색왜성은 약 280광년 거리에 있어 이 조사 범위 밖에 있었으며, 가까운 표본에서는 초록색 별이 나타나지 않았습니다.

초록빛 백색왜성 대기에서 발견된 소디움, 칼슘과 같은 원소들은 별의 색을 바꾼 원소들이 어디에서 왔는지, 그리고 이 별 주변에서 어떤 일이 벌어졌는지를 추적하는 중요한 단서가 됩니다. 차가운 백색왜성의 강한 중력 아래에서는 무거운 원소들이 대기 깊은 곳으로 가라앉으려는 경향이 있기 때문에, 표면에서 이러한 원소가 검출된다는 것은 외부에서 물질이 유입되었다는 강력한 증거가 됩니다.

진행자는 "소행성처럼 주변 행성계에 남아 있던 작은 암석 천체가 그 물질의 공급원이 될 수도 있고요. 이런 천체가 백색왜성 가까이 접근하면 가까운 쪽과 먼 쪽이 받는 중력 차이 때문에 부서질 수가 있습니다"라고 설명했습니다. 이렇게 부서진 잔해의 일부가 별로 떨어지면서 대기에 섞이게 되는 것입니다. 별빛을 분석하여 대기에 어떤 원소가 얼마나 들어 있는지를 알아내고, 여기에 원소마다 가라앉는 속도 등을 고려하면 떨어져 들어온 암석 천체의 성분을 거꾸로 추정할 수 있습니다. 이는 직접 찾아갈 수 없는 외계 암석 천체의 구성 물질을 별의 대기를 통해 조사할 수 있는 방법입니다.

이 초록빛 백색왜성에서는 리튬도 검출되었습니다. 리튬처럼 지각에 농축될 수 있는 원소의 비율이 높다면, 해당 물질이 층상 구조를 가졌던 암석 천체의 조각일 가능성을 따져볼 수 있습니다. 지구와 같은 암석 천체는 내부 물질이 나뉘어 층을 이루며, 특정 원소는 중심부에, 어떤 원소는 지각에 상대적으로 많이 모이게 됩니다. 따라서 리튬 검출은 이 백색왜성에 유입된 물질의 기원을 탐색하는 중요한 단서가 됩니다.

2021년 연구진은 이 별을 포함한 백색왜성 네 개의 원소 비율을 분석하면서, 떨어져 들어온 물질이 암석 천체의 지각에서 왔을 가능성을 제시했습니다. 지구와 같은 암석 천체에서는 내부 물질이 층을 이루며, 리튬처럼 지각에 농축될 수 있는 원소의 비율이 높으면 그러한 층이 만들어졌던 천체의 조각일 가능성을 고려할 수 있습니다. 이는 백색왜성 대기에서 발견된 원소들이 단순히 소행성 잔해가 아니라, 특정 층위를 가진 행성체의 파편일 수 있음을 시사합니다.

그러나 지각에서 온 물질인지에 대해서는 아직 추가적인 확인이 필요합니다.

2025년 후속 연구는 천체가 만들어질 때부터 가지고 있던 원소 비율이 태양계와 달랐을 가능성도 함께 검토했습니다. 이는 원시적인 암석 천체가 가진 리튬만으로도 일부 사례를 설명할 수 있다는 의견입니다. 그러나 이 2025년 분석에서는 이번 초록빛 백색왜성의 원소 비율만으로는 해당 물질이 암석 천체의 지각 조각이었는지, 아니면 원시적인 암석 천체의 물질이었는지를 명확히 구분하기 어렵다는 결론을 내렸습니다.

따라서 암석 천체의 지각 조각이었는지까지 정확히 알려면 더 정밀한 측정이 필요하다는 연구의 한계와 함께, 향후 연구의 방향성을 제시했습니다.

별빛에서 암석 천체의 성분을 알아내는 연구는 이전부터 진행되어 왔습니다. 진행자는 "이번 연구는 그 스펙트럼에 담긴 정보를 사람의 시각으로 옮겨서 우리가 실제로 어떤 색을 보게 될지를 보여줬다는데 그 의미가 있는데요. 별이 얼마나 뜨거운지뿐만 아니라 대기가 얼마나 빽빽하고 어떤 물질이 섞여 있는지까지 별의 색깔에 반영이 되는 겁니다"라고 이번 연구의 의의를 강조했습니다.

앞으로 더 많은 백색왜성의 스펙트럼을 확보할 수 있다면, 초록색이나 분홍색처럼 특이한 색을 띠는 별들을 더 많이 찾아낼 수 있을 것으로 기대됩니다. 밤하늘의 희미한 점으로만 보이던 별들도 가까이에서 볼 수 있다면 우리가 예상하지 못한 색으로 빛날 수 있으며, 그 색깔에는 별의 온도와 대기 상태, 때로는 주변 암석 천체가 남긴 흔적까지 담겨 있습니다. 초록별을 찾는 이야기가 별의 일생을 넘어 그 주변 천체들의 이야기로 이어지는 이유이기도 하며, 우주에는 아직 우리가 알아보지 못한 색으로 빛나는 별들이 더 많이 존재할 가능성이 있습니다.