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스스로 빛을 내는 성운

태양은 우리와 가장 가까운 별이다. 태양 다음으로 가까운 이웃별까지의 거리는 약 40조 킬로미터로 지구에서 태양까지 거리의 약 27만 배에 이른다. 우주에는 별이 차지하고 있는 공간보다는 별과 별 사이의 공간이 훨씬 넓음을 알 수 있다.

별들이 촘촘히 들어차 있는 것처럼 보이는 은하수에서 실제로 별이 분포하는 밀도는 얼마나 될까? 만약 태양을 10원짜리 동전 크기로 만들어 우리나라 전역에 뿌린다고 하면, 단지 몇 개만 뿌릴 수 있을 정도다. 별 사이의 공간은 우리가 상상하는 것보다 훨씬 더 넓다.

우주 공간의 별과 별 사이에 존재하는 물질을 총칭해 ‘성간 물질’이라 한다. 대부분 수소와 헬륨으로 된 기체이며 1퍼센트 정도가 얼어붙은 먼지티끌이다. 이 물질들을 우주 공간에 균일하게 뿌려 놓는다면 가로, 세로, 높이가 1센티미터인 단위체적에 수소 원자가 몇 개에서 몇십 개 들어갈 정도로 희박하다. 대기 중에는 같은 공간 안에 2.68×10¹⁹개의 공기분자가 들어 있다. 이와 비교해 보면 별 사이의 공간은 지구의 어떤 실험실에서 만들어낼 수 있는 것보다 더 깨끗한 진공상태라고 할 수 있다.

이렇게 희박한 성간 물질이지만, 균일하지 않게 분포하고 있기 때문에 특정 공간에 더 많은 물질이 모여 있을 수 있다. 어떤 곳에서는 이들이 뭉실뭉실 뭉쳐 있기도 한데, 마치 구름처럼 보인다고 하여 ‘성운’이라고 한다. 성운의 기체와 먼지는 주변에 있는 별빛을 받아 여러 가지 모양으로 그 모습을 드러낸다.

뜨거운 별 가까이 있는 수소 기체는 별에서 나온 강한 자외선 복사에너지에 의해 1만 도 이상으로 가열되면 붉은 빛을 내기 시작한다. 좀 더 자세히 들여다보면, 수소 원자는 별에서 나오는 자외선을 흡수해 내부의 전자가 들뜬 상태가 되는 전리현상을 겪는다.

전자가 분리돼 나간 수소 원자는 불안정한 상태를 계속 유지하지 못하고 자유전자(물질의 내부를 자유롭게 운동하는 전자)와 다시 결합한다. 이때 전자의 에너지 준위가 낮아지면서 붉은 빛의 가시광선을 방출하게 된다. 별에서 나온 자외선 복사에 의해 성운의 수소 원자가 전리됐다가 자유전자와 다시 결합하는 과정이 반복되면서 성운은 붉은빛을 내는 것이다.

이는 가정에서 사용하는 형광등의 원리와 비슷하다. 형광등에 전기가 공급되면 전자는 형광등 내부에 있는 증기 상태의 수은 원자와 충돌하면서 자외선의 광자를 내보내고, 이 광자가 형광등 안쪽 벽에 칠해진 인광 물질^각주1) 을 때리면 이 물질이 가시광선을 내게 된다.

마치 형광등 안의 수은 원자는 자외선 복사에너지를 방출하는 별, 인광 물질은 이 에너지를 받아 가시광선을 내는 성운에 비유할 수 있다. 이와 같이 주변 별에서 오는 복사에너지를 받아 스스로 빛나는 성운을 ‘발광성운’이라 한다.

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• 1M 8 라군성운

  궁수자리에 있는 발광성운이다. 5000광년 거리에 있으며 성운의 지름은 약 100광년이다. 크기가 보름달의 3배 이상이라 맨눈으로 볼 수 있다. 중심에 자리한 6등급의 궁수자리 9번 별을 비롯한 여러 별의 에너지를 받아 밝게 빛난다.

• 2고양이 발 성운

  전갈자리에 있는 발광성운으로 고양이 발톱 모양을 닮았다.