적색왜성

주계열성의 종류
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<colcolor=#000>태양 질량 0.081 ~ 0.5배	M형 주계열성 ( 적색왜성)
태양 질량 0.5 ~ 0.8배	K형 주계열성
태양 질량 0.8 ~ 1.03배	G형 주계열성
태양 질량 1 ~ 1.4배	F형 주계열성
태양 질량 1.4 ~ 2.1배	A형 주계열성
태양 질량 2 ~ 16배	B형 주계열성
태양 질량 15배 ~ 90배	O형 주계열성
관련 틀: 주계열성 이후 · 주계열성 이후(저질량 항성)		}}}}}}}}}

알려진 정보들을 통해 그려진 적색왜성의 모습[1]

우주의 마지막 별 - 적색왜성[2]

1. 개요2. 특징3. 대류 작용4. 종족 III 적색왜성5. 최후6. 생명 발생 가능성

6.1. 생명체 서식을 불리하게 만드는 조건들

6.1.1. 동주기 자전(조석고정)6.1.2. 가시광선의 부족6.1.3. 폭발적인 플레어와 불규칙한 밝기와 열6.1.4. 긴 전주계열 단계6.1.5. 선량한 목성의 부재

6.2. 생명체 서식을 가능하게 만드는 조건

6.2.1. 엄청난 수6.2.2. 기나긴 수명

6.3. 지적 문명이 있을 경우6.4. 결론

7. 문서가 있는 적색왜성8. 창작물에서의 적색왜성9. 같이보기

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1. 개요

赤色矮星 / Red Dwarf[3]

적색왜성 또는 M형 주계열성은 태양 질량의 8%에서[4] 50% 정도의 질량을 지닌 주계열성을 말한다. 적색왜성은 항성으로 인정되는 가장 최소 단위로, 이보다 작으면 갈색왜성으로 분류되어 항성으로 간주되지 않는다. 참고로 적색왜성 상위의 항성은 K형 주계열성이다.

헤르츠스프룽-러셀 도표에 따르면 적색왜성의 스펙트럼형은 어두운 K형 항성으로부터 M형 항성까지며, 넓게는 경수소 핵융합이 가능한 밝은 L형까지 포함한다. 표면온도는 보통 3800 K를 넘지않고, 광도는 가장 밝은 것조차 태양의 10% 정도에 불과하다.[5] 이런 낮은 온도 때문에 표면은 적색이며, 우주 전체 항성의 약 70 ~ 90% 정도가 이러한 적색왜성일 것으로 추정되고 있다.

2. 특징

적색왜성은 크기가 매우 작은 주계열성으로, 맨눈으로는 관측이 불가능한 항성들이다. 지구에서 태양을 제외한 가장 가까운 별(별중에서도 적색왜성)인 프록시마조차도 실시등급이 맨눈으로 볼 수 없는 수준을 한참 넘어서는 11등급에 불과하다. 관측 기구[6]를 동원하면 수백 광년이 떨어진 적색왜성도 볼 수는 있지만, 이 또한 산출되는 데이터가 매우 형편없기 때문에 일반적으로 태양계 바로 근처에 있는 적색왜성들이 많이 연구되는 편이다. 관측 장비를 동원하더라도 관측이 어렵기에 H-R 도표에서도 더 크고 무거운 별들보다 오히려 적게 표시되는 경우가 흔하다.

이들은 질량이 매우 작아 별 중심에서 일어나는 핵융합 반응이 느리게 진행되며[7] 분광형은 M 정도에 불과하고 표면 온도도 많이 낮다. 이보다도 더 질량이 작으면 갈색왜성으로 분류되는데, 여기서부터는 아예 수소 핵융합이 진행되지 않아[8] 더이상 항성으로 분류되지 않고 그 분광형은 L 수준까지 내려간다. 2MASS J0523-1403와 같이 갈색왜성과 종이 한 장 차이로 간신히 적색왜성이 된 별들은 밝은 L형(L0V~L3V)[9] 분광형을 가진 경우가 있다. 어두운 M형~밝은 L형 사이의 분광형은 적색왜성과 갈색왜성이 공유하기에 명확한 지표가 아니며, 스펙트럼상의 리튬 유무로 판별한다.[10]

우주에서 관측할 경우 백열전구와 비슷한 색온도를 가지며, 흰색이 섞인 주황색으로 보인다. 가장 차가운 L형 적색왜성도 용광로 쇳물 수준의 온도로 여전히 백열을 발한다.

적색왜성이 1초에 태우는 수소의 양은 질량에 따라 최소 6만톤에서 최대 6천만톤으로 크기에 따라서 큰 차이를 보인다.[11]

핵융합의 속도가 느리므로 다른 주계열성 이상의 별들보다 상대적으로 약한 빛을 발산한다. 일부는 태양의 1/10000밖에 되지 않는 경우도 있으며, 가장 밝은 적색왜성조차 태양의 10% 수준에 불과하다. 또한 같은 이유로 팽창력도 약하기 때문에, 목성보다 80배 이상 무거움에도 불구하고 목성보다 작은 경우도 있다. 반면 적생왜 별들은 밀도 또한 매우 높은데, 가장 작은 적색왜성인 EBLM J0555-57Ab의 경우 186.3 g/㎤의 밀도를 가진다. 이는 태양보다 약 131배 높은 수치이며, 밀집성을 제외한 천체들 중 가장 높은 밀도이다.

이렇게 적색왜성이 어둡기 때문에 발견되지 않은 태양의 쌍성이 있다는 네메시스 가설이 존재한다. 그러나 WISE 적외선 망원경으로 관측한 결과 태양계 외곽에 목성 이상의 질량을 가진 천체는 없는 것으로 확인되어 이 가설은 배제되었다.

적색왜성은 다양한 크기를 가질 수 있다. EBLM J0555-57Ab와 같이 토성보다 작은 경우가 있는 한편 DH Tauri와 같이 태양보다 더 크고 아름다운 적색왜성도 존재한다. 질량은 태양의 0.41배이며 분광형도 M0V이지만 무려 태양의 1.26배에 해당하는 지름을 가진다.[12]

적색왜성의 하한 질량은 보통 태양 질량의 7.5% 혹은 8%로 간주되나, 이는 평균치로 중원소(천문학에서의 금속) 함량에 따라 편차가 있다. 종족 I 항성의 경우 태양 질량의 7%, 분광형은 L형 중반까지 내려갈 수 있으며, 반대로 중원소가 적거나 없는 종족 II 또는 III 항성의 경우 태양 질량의 9%까지 올라간다. 중원소는 단열재 역할을 하여 낮은 질량에서도 핵융합이 가능하게 만들어주는 동시에 핵융합 반응의 속도를 늦추는 역할을 한다. 극단적으로 중원소가 아주 많은 경우 태양 질량의 4%만 되어도 수소 융합이 가능할 것으로 예측되나, 이러한 천체는 표면 온도가 0도(분광형상 Y형)에 불과하여 적색왜성이 아닌 얼어붙은 별(Frozen Star)로 불린다. 그러나 현 우주에서는 중원소가 부족하여 이러한 천체가 생성될 수 없다.

태양 혹은 그보다 무거운 별들이 주로 쌍성 혹은 다중성계를 이루는 것과 달리 적색왜성들은 항성을 형성시킬 수소 가스가 적어서 적색왜성으로 형성되었기 때문에 단일 항성으로 존재하는 경우가 흔하다. 바너드 별, TRAPPIST-1 등이 대표적이다. 적색왜성을 비롯한 모든 항성계를 종합하면 다중성계의 비율은 40%에 불과하다.

3. 대류 작용

일반적인 항성모델에 따르면 태양 질량의 0.35배보다 작은 적색왜성의 내부는 온도가 낮음에도 동시에 밀도가 매우 높아 빛이 통과하기 힘든 상태이기 때문에 핵융합으로 발생한 빛이 표면까지 광자복사하기 어렵다. 이러한 물리적 상태에서는 복사보다 대류 작용이 더 효율적인 방식이기 때문에 적색왜성은 핵에서부터 표면까지 복사가 아닌 대류 작용으로 에너지를 전달한다. 즉, 항성 전체가 대류층으로 이루어져 있다. 태양과 같은 항성에서 중심부가 복사층, 표면이 대류층으로 이루어진 것, 질량이 큰 주계열성에서 중심부가 대류층, 표면이 복사층으로 이루어진 것과는 대조적이다.

대류 과정에서 핵융합으로 생긴 헬륨이 중심핵에 축적되지 않고 섞이기에 적색왜성은 상대적으로 수소를 적으면서도 천천히 사용하여 그 수명이 다른 주계열성들보다 매우 긴 편이다.[13] 질량이 가장 큰 적색왜성은 800억 년, 질량이 작고 중원소가 많은 경우에는 17조 5000억 년[14]까지 주계열성 상태로 버틸 수가 있다.[15][16] 적색왜성은 우주의 미래에서 항성의 시대 최후까지 타올라 빛날 주요 별의 종류인 것으로 추측된다. 거의 영원과 같은, 그야말로 작지만 길게 가는 별인 것이다.

청색왜성으로 진화하게 되면 중심핵의 대류 작용이 종료되게 된다. 이때부터는 핵이 더 이상 대류하지 않고 복사하게 되기 때문이다.

4. 종족 III 적색왜성

수명이 우주의 나이보다 긴 항성임에도 불구하고 빅뱅 이후 최초로 탄생한 항성, 즉 종족 III에 해당하는 적색왜성들은 발견되지 않고 있는데, 현재 우리 은하에서 발견된 모든 적색 왜성들은 가장 먼저 탄생했던 1세대 별들이 죽고 난 뒤의 잔해를 물려받은 2세대 별들이다.[17]

여기에 대한 유력한 설명으로 빅뱅 직후 처음으로 태어난 종족III 항성들은 모두 큰 질량을 가지고 있었기에 수명이 짧았다는 추측이 있다. 금속이 존재하지 않는 우주 초기 환경의 가스는 냉각 속도가 매우 느렸고, 단일 거대 가스 구름이 중력에 의해 수축하는 과정에서 파편화 과정을 겪지 않았기 때문에 질량이 큰 항성 위주로 생성되었다는 것이다. 이렇게 종족 III 항성들이 죽으면서 빠르게 금속이 우주 전체에 퍼졌고, 이 과정에서 현재의 종족 II 항성 및 적색왜성도 형성되었을 것이다.

다른 설명으로 종족 III에 해당하는 적색왜성은 존재하나, 그저 그 수가 적고 어둡기 때문에 아직 인류가 발견하지 못했다는 가설도 있다. 그러나 점차 발달하는 관측 기술로 우리 은하 내의 적색 왜성을 샅샅히 기록하고 있음에도 불구하고 발견되지 않고 있기 때문에 이 주장은 점차 잦아들고 있다.

만일 이들이 존재한다면 그 최소한계질량은 태양 질량의 0.09배로 예상된다. 중원소 함량이 낮을수록 항성 질량의 하한선이 올라가기 때문이다.

5. 최후

주계열성 이후 항성의 진화

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<colbgcolor=#f0f0f0,#000>거성 준비 단계

준거성

거성으로 팽창

거성 · 밝은 거성

초거성 · 밝은 초거성

극대거성

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청색거성
( 청색휘거성→)

백색거성
( 백색휘거성→)

황색거성
( 황색휘거성→)

적색거성
( 적색휘거성→)

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질량에 따른 변화 분류

헬륨 섬광

중간 폭발

→ 수평가지

→ 점근거성가지

→ OH/IR 별

→ 볼프–레이에별

질량에 따른 성운상 변화

죽은 뒤 남은 잔해

이후 진화

→ 흑색왜성 (Ia형 초신성)

→ 철 별

→ ( 중성자별 · 블랙홀)

↓

블랙홀

→ 초대질량 블랙홀로 통합

→ 호킹 복사로 소멸

관련 틀: 주계열성의 종류 · 주계열성 이후(저질량 항성)

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적색왜성은 질량에 따라 최후가 다르다. 컴퓨터 시뮬레이션에 따르면 적색왜성이 주계열 수명을 다한 뒤 적색거성으로 진화할 수 있는 최소한계질량은 태양 질량의 0.25배 정도이다. 출처

태양 질량의 0.25배보다 질량이 작은 적색왜성들은 아주 머나먼 미래에 표면온도와 광도가 점차 증가하여 청색왜성으로 진화하리라 예상되고 있다. 부피 대신 온도를 늘리는 이유는 표면 온도가 올라도 표면의 불투명도가 크게 오르지 않기 때문이다. 예컨데, 태양 질량의 0.16배의 적색왜성[18]은 주계열 상태에서 2.5조 년 동안 머물며, 이후 50억 년 동안 청색왜성 상태로 지내게 된다. 이때 청색왜성은 태양 광도의 1/3 만큼을 지니며 표면온도는 6500-8500 K 정도이다. 또한 태양 등 더 무거운 항성에서 주계열 수명이 항성의 전체 수명에서 보통 90% 내외를 차지하는 반면 정도인 태양 질량 0.16배의 적색왜성은 전체 수명의 99.8%를 주계열성으로 버틸 수 있다.

반대로 태양 질량의 0.25배보다 질량이 큰 적색왜성들은 크게 부풀어올라 적색거성이 되지만, 그 크기는 태양 지름의 5배 ~ 10배 정도로, 2 AU까지 커지는 미래 태양의 적색거성에 비교하면 여전히 매우 작은 편이다. 또한 적색왜성 거성들은 적색거성 점근거성가지까지 오르지 못하고 바로 행성상 성운으로 질량을 방출한 뒤 헬륨 백색왜성이 된다. 태양 질량 16~23% 사이의 중간 크기 적색왜성들은 거성으로 살짝 부풀었다가 질량을 방출한 후 청색왜성으로 변하며, 태양 질량 16% 이하인 작은 적색왜성들은 아예 거성조차 되지도 못하고 바로 청색왜성으로 변한다.

항성은 작을수록 후주계열 단계와 축퇴성으로 변화하는 단계에서 잃는 질량이 적어진다. 특히 청색왜성이 되는 적색왜성들의 경우 우주 공간으로 쉽게 날려버릴 수 있는 저밀도의 외피층을 가지지 않으며,[19] 질량을 거의 잃지 않고 그대로 축퇴하여 백색왜성이 되므로 행성상성운조차도 생성하지 못한다. 또한 낮은 질량 손실로 인해 후세대 별들의 재료가 될 물질을 거의 남기지 않는다.

결국 질량이 크지 않은 모든 적색왜성들은 필연적으로 청색왜성이 되며, 이 청색왜성 단계에서 중심부가 복사층으로 변하여 생성된 헬륨핵이 밖으로 자라나며 점차 남아있던 수소를 전부 소진하게 되면 더 거대한 별들과는 달리 헬륨을 탄소와 같은 무거운 중원소로 융합하지 못하고 그저 헬륨으로 이루어진 백색왜성으로 진화하게 된다. 이러한 백색왜성은 태양이 남기는 지구 크기의 백색왜성보다 오히려 더 클 것으로 예상되는데, 이는 적색왜성의 낮은 질량 때문에 중력이 약해 압축이 덜 진행되기 때문이다. 최소 질량 한계선 근처에 있는 적색왜성은 백색왜성이 되어도 급격한 수축을 겪지 않으며, 수백억 년에 걸쳐 식으면 해왕성 정도의 크기까지 줄어들 것으로 추정된다. 좀 더 무거운 별들의 경우 지구 지름 2배 내외의 백색왜성이 된다. 이후 헬륨 백색왜성은 더 무거운 별들의 백색왜성과 마찬가지로 오랜 세월에 걸쳐 흑색왜성이 된다.

또한 핵융합 반응이 중단된 후에는 수소 대기를 가진 백색왜성이 되지만, 백색왜성 전체에서 헬륨이 차지하는 비중은 무려 99%에 달할 것으로 예상된다. 반면 태양과 같은 별들은 수명이 다 할때까지 진화해도 전체 수소의 10%밖에 태우지 못한다.

적색왜성이 백색왜성이 된 뒤에 다른 천체로부터 질량을 흡수하거나 다른 헬륨 백색왜성과 충돌할 가능성이 있는데, 이 경우에도 질량이 낮기 때문에 Ia형 초신성 폭발로 이어지기는 어렵다. 대신 헬륨 연소 한계 질량(태양 질량의 0.5배)을 초과하면 헬륨을 탄소로 융합하는 이론상의 천체인 헬륨 별(Helium Star)이 될 것으로 예측된다.

가장 무겁고 최단명 종류의 적색왜성도 수명이 우주의 나이보다 훨씬 더 길기 때문에 현재까지 이론상 적색왜성의 진화한 형태나, 소멸되어가는 형태를 발견한 사례는 없다.[20] 다양한 질량의 별들이 한데 모여 형성되는 항성 집단에서 질량이 큰 별들은 먼저 진화하여 사라지거나 어두운 밀집성이 되어버리기 때문에 은하의 나이가 많을수록 적색왜성의 비율은 증가한다. 우리 은하에서도 나이가 100억 년은 가볍게 넘기는 적색 왜성들이 지천으로 널려 있다.

청색왜성이 되는 적색왜성의 내행성들은 적색거성에 삼켜지는 더 큰 별들의 내행성들과는 다른 운명을 맞이한다. 청색왜성 단계의 늘어난 복사량으로 바싹 타버리긴 하지만 대체로 행성 자체는 살아남는다. 내행성과 외행성들은 이 이후 주항성이 백색왜성으로 진화한 이후에도 계속 공전하다가 점차 중력파 형태로 공전 에너지를 잃은 뒤 마지막으로 백색왜성과 충돌하게 된다. 만일 중력 섭동으로 적색왜성 항성계에서 튕겨나가 떠돌이 행성이 될 경우 블랙홀 등 다른 밀집성과 충돌하거나 양성자 붕괴 내지는 거대한 철 덩어리로 변화한 뒤 붕괴되면서 소멸하는 것으로 최후를 맞이한다.

수명이 현재 우주의 나이보다도 아득히 길기 때문에 상기한 내용의 최후를 맞이한 적색왜성은 아직까지 하나도 없는 셈이고 첫 사례가 나오기까지도 아직 아득히 먼 미래의 이야기이다. 인류가 절멸하기 어려운 다항성계 문명으로 진화하여 청색 왜성을 인위적으로 창조하지 않는 한, 인류는 청색 왜성을 관측하지 못할 것으로 예상된다. 또한 후기 진화단계의 관측이 불가하기에 태양과 같은 진화 단계를 밟을 것으로 귀납추론하는 경우도 흔하다.

6. 생명 발생 가능성

적색왜성을 주항성으로 두는 외계 행성에 생명이 발생할 수 있는가?는 천문학, 우주생물학계에서도 이견이 있는 편이다.

6.1. 생명체 서식을 불리하게 만드는 조건들

6.1.1. 동주기 자전(조석고정)

동주기 자전이란 주항성이나 주행성을 공전하는 천체의 공전과 자전이 중력작용으로 일치하여 이 천체가 주항성이나 주행성 쪽으로 한쪽 면만을 향하는 현상이다. 이는 지구- 달의 관계와 같다.[21] 모항성과 행성 간에 조석고정이 발생할 경우 한쪽 면은 영원한 밤이, 나머지 한쪽 면은 영원한 낮이 지속되게 된다. 당연히 이렇게 되어 버리면 영원한 밤이 지속되는 지역은 얼어붙고, 영원한 낮이 지속되는 지역은 끝없이 타오르게 된다.

적색왜성의 경우, 가시광선의 양이 적어 골디락스 존이 태양보다 훨씬 가깝기 때문에 골디락스 존에 위치하게 되면 필연적으로 조석고정이 발생하게 된다. 다시 말해 지구와 비슷한 온도 조건, 생물권 설정을 위해서는 태양계로 따지면 태양과 수성간의 거리나 그보다 더 가까운 거리가 필요하게 되니, 조석력에 의해 한쪽이 영원히 낮이 되고 반대편은 영원한 밤의 세계가 되는 것이다. 문제는 이렇게 될 경우 생명체의 정상적인 생존이 어려워진다는 것. 한쪽은 불지옥, 반대쪽은 얼음지옥으로 완전히 나눠져 있는 극단적 환경에서 생명체가 발생하고 지속하는 것을 기대하기는 어려우며, 밤과 낮의 경계선에 위치해 적당히 따뜻한 온도가 유지되는 좁은 지역이라 하더라도 행성 양면의 극심한 온도차로 인해 온도가 높은 지역의 공기가 낮은 지역으로 몰아치는 대류 현상으로 행성 규모의 폭풍이 쉴새없이 휘몰아칠 가능성이 매우 높기 때문이다. 또한 조석 고정은 행성의 자전 속도를 늦춰 행성을 보호할 자기장의 형성을 어렵게 만든다. 그러나 해당 행성이 천왕성과 같이 옆으로 누워서 자전축이 모항성을 향하게 자전하는 경우 행성이 조석고정되어도 자기장을 형성할 수 있다.

만일 해당 천체가 목성형 행성의 위성이라면 주항성 대신 주행성에 조석고정되어, 공전을 통해 외계 위성에서 주기적인 밤/낮이 생기게 되므로 이러한 문제를 피할 수 있을 것으로 예상된다. 다만 적색왜성 주변에서는 목성형 행성이 발생할 확률이 낮다는 점이 걸림돌이다. 뭉쳐서 행성이 될 수 있는 먼지 구름의 양이 태양과 같은 항성에 비해 적기 때문이다. 또한 모항성의 질량이 태양의 0.2배 미만이면 골디락스 존 내에서 안정적인 위성을 가지기 어려워진다.

적색왜성계 거주가능 행성들이 조석고정될 확률은 100%가 아니다. 두 행성이 우연히 서로를 공전하게 되어 이중행성을 이루게 되면 이 또한 조석 고정 문제를 피할 수 있으며, 두 천체 모두 골디락스 존에 속하게 되는 장점도 있다. 마찬가지로 다른 행성과의 상호 작용이나 이심률로 인해 자전-공전 공명을 하게 되면,[22] 주기가 길지만 낮과 밤이 생기기 때문에 이 문제를 피할 수 있다.

대륙 이동으로 인해 판게아와 같은 초대륙이 생겨날 경우 문제가 될 가능성이 높다. 만일 초대륙이 밤의 반구에 생기게 되면 사실상 초대륙은 얼음 행성 내지는 바다 행성이 되어버리며, 반대로 주항성을 바라보는 낮의 반구 방면에 있을 경우 대륙 대부분이 불모의 사막이 되어버릴 것이기 때문이다.

그러나 조석고정이 일어날 정도로 가깝다는 점은 행성 내부가 기조력으로 인해 뜨거운 상태를 유지할 수 있다는 것을 의미하며 이로 인해 활발한 지질 활동과 강한 자기장의 형성이 가능할 수 있다.

타이탄과 같은 환경에서 액체 메테인을 용매로 하는, 혹은 규소(실리콘) 기반의 저온 생명체가 가능할 경우 이들의 골디락스 존은 항성에서 훨씬 더 멀기 때문에 조석고정 등의 문제를 피하는 것이 가능하다.

6.1.2. 가시광선의 부족

또 지구상의 식물은 태양의 가시광선 내에서 광합성을 하기 적합한 조건인데, 적색왜성들은 이름 그대로 적외선 영역의 빛이 많기 때문에 지구와 같은 식물이 자라기도 부적합하다. 지구상의 식물들은 적색왜성의 조건에서는 생존이 불가능하다. 만약 적색왜성의 환경하에서 진화한 식물이 있다면 최대한 많은 빛을 흡수하기 위한 검은색 또는 적외선 흡수에 적합한 보라색, 갈색 등의 어두운 색소를 가질 것으로 예상되며, 잎이 주항성을 향해 고정된 방향으로 항하는 동시에 서로의 그림자에 가리지 않게 자라도록 진화할 것으로 예상된다. 또한 주항성의 빛을 24시간 받을 수 있으므로 광합성이 유리해지는 반면, 식물들의 에너지 저장 능력은 자전하여 밤낮이 존재하는 행성에 비해 떨어질 수 있다.

동물들은 가시광선보다는 적외선을 볼 수 있도록 진화할 것으로 예상된다. 지구에서도 일부 미생물은 적외선 파장으로 광합성을 하는 경우가 있다.

6.1.3. 폭발적인 플레어와 불규칙한 밝기와 열

거기에 적색왜성들은 폭발적인 자기장을 생성하며 흑점도 많다. 여기에서 흑점이 많다는 것에서 알 수 있듯 항성 플레어가 태양보다 강한데 특히 작은 질량의 적색왜성에서 플레어 폭발이 두드러지게 나타난다.[23] 플레어는 항성의 밝기와 뜨거움을 40~60%까지 증가시키므로 이로 인한 온도 차이가 엄청나며 생물이 산다 하더라도 극심한 온도변화로 다 끔살당해 죽게 될 것이다. 당장 지구와 금성에서 보는 태양의 밝기 차이는 1.9배 차이이므로 적색왜성의 플레어의 위력이 얼마나 큰지 짐작을 할 수 있다.

또한 플레어의 일부는 온도가 2천만K까지 올라가는데(밀도는 매우 낮아서 문제는 없지만) 적색왜성은 흑점 폭발로 인해 자신의 원래 밝기보다 40~60%나 더 밝고 뜨거워지는 것이므로 이 정도로도 엄청난 양의 해로운 X선을 방출하여 순식간에 생명체를 전멸시킬 수도 있다. 지구의 원자력 발전소가 파괴되어 방출된 방사능은 아무것도 아니라는 뜻이며, 1분 만에 2000Sv 이상 노출된다는 뜻이다.[24]

질량이 큰 적색왜성일수록 플레어의 위력이 약해진다. 질량이 작아질수록 플레어의 위력이 세진다. 자신의 원래 밝기보다 가장 플레어가 센 질량대의 적색왜성은 태양의 7.5%~16% 사이이다. 이는 밀도와 자전속도에 비례한다. 항성 표면의 밀도가 높아질수록 자기력선이 많이 유발되어 더 큰 플레어가 형성된다.

그러나 모든 적색왜성이 섬광성인 것은 아니며, 로스 128과 같이 안정적인 경우도 있다. 또한 이미 섬광성인 별들도 시간이 지나면 자전 속도를 잃고 플레어가 점차 약화되어 안정화될 것으로 예상된다.

2021년의 관측 결과에 따르면 적색왜성의 플레어가 행성에 끼치는 영향은 예상보다 적을 것이라고 한다. 주로 적도 부근에서 플레어가 방출되는 태양과 같은 별과 달리 적색왜성에서 관측된 플레어들은 55도 이상의 고위도에서만 발생되었으며 행성을 직격하기는 어렵다고 한다. #

이러한 플레어가 주변 행성의 생명체에게 백해무익할 것 같지만 플레어로 인한 방사선이 행성 대기에서 유기 분자를 합성하는 에너지원으로 작용할 수 있다는 연구 결과도 있다. 지구에서 생명의 기원이 되는 유기 분자는 번개로 인해 분자들이 분해 및 재결합되는 과정에서 생성되었으며 플레어의 방사선도 비슷한 작용을 할 수 있다. 또한 대기에 산소가 있을 경우 플레어의 방사선이 산소 분자(O₂)를 분해하여 오존으로 만들기 때문에 자외선을 막을 수 있는 두터운 오존층의 형성이 가능할 수 있다.

즉 결론적으로 안정적인 적색왜성의 플레어는 생명체의 발생 가능성에 긍정적인 영향을 끼치기도 하는 반면, 불안정한 적색왜성의 플레어는 오히려 생명체 발생 가능성에 부정적인 영향을 준다.

6.1.4. 긴 전주계열 단계

적색왜성은 전주계열 단계에서 10억 년 이상 머무는 경우도 있는데, 전주계열 단계의 항성은 복사량이 강하므로 행성의 물과 대기를 날려버릴 수 있다. 다만 해당 행성이 먼 궤도를 돌다가 골디락스 존으로 옮겨오거나 소행성이나 혜성 충돌 또는 화산 분화와 같은 지질 활동으로 잃어버린 물과 대기를 보충받으면 대기를 가질 수 있다.

6.1.5. 선량한 목성의 부재

적색왜성계에서 목성 이상의 질량을 가진 목성형 행성이 생성될 가능성은 단 2%에 불과하다. 태양계의 경우 목성이 지구로 날아오는 소행성 및 혜성들의 궤도를 바꾸거나 아예 흡수하여 내행성들을 보호하는 역할을 하는데, 적색왜성계에서는 이를 기대하기 어렵다.

6.2. 생명체 서식을 가능하게 만드는 조건

6.2.1. 엄청난 수

일단 수가 엄청나게 많은 데다 (지구형 탄소) 생명체 서식이 O형 주계열성, 중성자별이나 블랙홀처럼 도저히 불가능한 적대적 수준은 아니어서 많은 연구들이 진행되고 있다.

적색왜성이 차지하는 비율이 우주의 항성의 90% 이상이라서 M형 주계열성인 적색왜성을 제외한 나머지 종류의 주계열성이나 갈색왜성 [25] 정도만 생명체 서식이 가능하다면 이는 거의 우주에서의 생명체 서식의 지역이 굉장히 축소되는, 우주에는 우리밖에 없다는 의미와 비슷하기 때문이다. 태양 정도의 크고 아름다운 질량을 가진 주계열성은 우주에서 단 1%밖에 되지 않는다.

적외선이나 조석고정은 행성에서의 자제적인 대류순환을 통해 어느 정도 상쇄할 수 있지 않냐는 의견도 있으며, 행성의 자체 자기장을 통해서도 가능한 부분이 있다. 적색왜성계의 행성에서 자기장에 의한 전파 신호가 관측된 바가 있기는 하지만, 지구 이상의 자기장 위력을 낼 수 있는지는 아직 명확하지 않다.

6.2.2. 기나긴 수명

적색왜성의 최대 수명은 17조년에 육박할 것으로 보이는데,[26] 이런 긴 수명은 지구에서 고등생명체 및 지성체가 나오는 데 오랜 시간이 걸린 역사를 생각해본다면 확실히 굉장히 유리한 점이다. 우주 탄생으로부터 약 138억 년이 지난 현재는커녕 50억 년 더 지나서 태양이 적색거성이 되어 지구가 멸망할 때도, 백색왜성으로 전락할 때까지도 수명이 다하는 적색왜성은 하나도 없다.

또다른 가능성은 먼 미래에 주계열 단계를 끝내고 청색왜성이 되어 골디락스 존이 외곽으로 확장하였을 때 존재한다. 이렇게 되면 얼어붙어 있던 행성의 얼음을 녹여 생명체가 탄생 및 진화할 환경을 만들 수 있다. 적색왜성의 말기인 청색왜성의 수명조차 50억 년[27]에서 수백억 년일 것으로 예측되므로 고등생명체가 진화하기에는 충분한 시간을 준다.

6.3. 지적 문명이 있을 경우

적색왜성의 행성은 태양과 같은 항성의 행성에 비해 지적 생명체가 등장할 확률도 낮을 것으로 예상된다. 또한 지적 생명체가 탄생한다면 지구와 꽤 다른 문명 발전 과정을 거칠 것으로 예상된다.

조석 고정으로 인해 지구 등 자전하는 행성에서보다 재생 에너지를 이용하기 더 유리할 것으로 예상된다. 낮의 반구에서는 날씨가 나쁘지 않다면 24시간 태양광/태양열 발전이 가능하며, 시간에 따라 태양전지판이나 태양열 반사경이 항성을 향하도록 움직여줄 필요도 없다. 행성 양쪽의 온도차로 인한 거대한 바람의 흐름을 이용하여 풍력 발전이 가능하다. 모항성의 기조력으로 인한 지질 활동이 활발하다면 지열 발전 또한 사용 가능한 지역이 많을 것이다. 따라서 화석연료를 거의 사용하지 않는 문명이 되는 것도 가능하다.

또한 기후를 완전히 극복할 기술을 터득하기 전까지는 문명의 확장 가능 범위는 행성의 고위도 극지 및 밤낮의 경계의 기후가 적절한 협소 지역으로 한정되며, 해당 문명도 인류처럼 여러 국가를 이루고 살 경우 영토 분쟁이 일어날 가능성이 높아진다. 특히 운이 나쁘게도 행성 둘레 거주가능 지역의 바다 비중이 높다면 영토는 더욱 부족해진다. 영토 부족 문제는 대도시, 스마트팜, 지저 도시, 해상 도시, 그리고 문명의 기술 개발이 더 발전되어 해저 도시, 공중 도시 및 스페이스 콜로니, 우주 식민지를 건설하면 해결시킬 수 있다. 그러나 조석 고정으로 인해 그림자가 거의 움직이지 않는다는 점이 도시 설계에 문제가 된다. 앞 건물의 그림자에 건물이 가려버리면 해당 건물이 재개발이라도 되지 않는 한 일조권이 반영구적으로 침해되기 때문이다. 특히 층고가 높고 동간 거리가 좁은 공동주택 단지를 지어버리면 항성을 바라보는 방면에 가장 가까운 동들과 고층 세대를 제외하면 대부분 24시간 그림자에 가려지게 된다.

문명 초기에 천문학의 발전은 저해될 수 있다. 추운 지역인 밤의 반구에서만 별을 관측할 수 있기 때문이다. 그러나 조석 고정으로 인해 행성의 반구가 영원히 밤이라는 점은 24시간 천문관측이 가능하다는 장점이 될 수 있으며, 행성의 공전주기가 빠르다는 점으로 인해 오래 기다리지 않고도 여러 별자리를 관측할 수 있다. 밤의 반구에도 지속적인 바람이 불기 때문에 탐사 및 관측 기지에 에너지를 공급하는 일은 어렵지 않을 것이다.

강력한 플레어도 문명 발전을 저해시킬 수 있다. 자연 EMP인 지자기 폭풍을 유발하여 전기 장비들을 고장낼 수 있기 때문이다. 실제로 19세기의 캐링턴 사건 당시 강력한 태양 플레어로 인해 전신망이 마비된 적이 있는데,[28] 적색왜성은 이보다 강력한 플레어를 수시로 내보낼 수 있다. 따라서 적색왜성 주변에 지적 문명이 있다면 장비들을 보호할 기술을 터득하기 전에는 현대 인류와 같이 복잡한 전력망이나 통신망을 구축하기 어려울 것으로 예상된다. 지구에서는 군사 또는 항공우주 등 일부 분야에서만 사용되는 EMP 방호가 적색왜성 주변 문명에게는 필수 사양이 된다.

우주 진출에 성공했을 경우 적색왜성의 항성계가 비교적 협소한 이유로 항성계 전체를 탐사하고 식민지화하는데 드는 노력은 태양과 같은 주계열성 항성을 중심별로 두는 항성계보다 상대적으로 쉬울 것으로 예상된다. 예를 들어 TRAPPIST-1 의 경우 다른 행성들의 표면을 자세히 볼 수 있을 정도로 가까운데, 이정도 거리면 핵 추진 로켓 등 더 빠른 이동수단 없이 화학 로켓만으로도 행성간 이동을 쉽게 할 수 있다.

성간 진출을 이루지 않는 한, 제 2 유형 문명 [29]으로 발전하여 다이슨 스피어를 건설했을 경우에도 태양과 같은 별 주변의 문명보다 훨씬 적은 에너지만 사용할 수 있다. 그러나 모항성의 온도와 크기가 작으므로 다이슨 스피어 건설에 드는 자원이 적으며, 무엇보다 매우 긴 수명으로 인해 오랜 기간 동안 안정적으로 에너지를 사용할 수 있다.

문명 수준이 더 발전하여 항성을 자유자재로 다룰 수준이 될 경우, 스타 리프팅[30] 기술을 활용해 헬륨을 제거하고 수소를 채워넣는 방식으로 안 그래도 긴 수명을 더더욱 연장시키는 것도 가능하다. 태양과 같은 별에 수소를 공급하면 복사층으로 인해 인위적으로 공급한 수소가 중심핵의 연료가 되지 못하고 오히려 질량만 늘려 수명을 줄게 만들지만, 태양 질량 0.35배 미만 적색왜성들은 전체가 대류층이여서 외부로부터 공급받은 수소도 연료로 사용 가능하다. 반대로 크기는 작지만 밝은 항성이 필요할 경우 헬륨 비중을 고의적으로 늘려 인위적인 청색왜성을 만드는 것도 가능하다.

6.4. 결론

적색왜성은 수가 매우 많고 활동기가 매우 길기 때문에 생명이 번성할 수 있는 공간과 시간이 상당하다는 이점이 있지만, 다른 중간 크기의 주계열성들에 비해 난제가 매우 많기 때문에 자연적인 생명 발생은 어려워 사실상 주계열성에서의 생명 발생 가능성과 동치된다고 보는 시각이 지배적인 편이다. 그야말로 적색왜성의 자체적 난점을 무지막지한 양과 수명의 장점으로 보충하는 것.

적색왜성 특징을 보면 사실 생명체가 서식하기에는 영 쉽지 않다. 태양이 아무리 고등생명체가 살기 좋은 환경을 조성해줬다고 하나, 지구와 같은 골디락스 존에 있는 금성, 화성 [31]은 황량한 불모의 행성인 것처럼, 항성조건까지 불리한 적색왜성에서의 생명체 서식을 논하는 건 불가능할지도 모른다. 게다가 지구도 운이 아주 좋은 경우에 속하는데, 천체와의 충돌이 있기는 했지만 그 충돌체가 달이 되어 지구의 자전축과 자기장을 안정적으로 유지시켜 주는 복덩어리가 되었을 것으로 보기 때문이다.

다만 적색왜성에서 생명체 발생의 가능성을 찾을 수 있다면 외계 생명체의 존재 확률은 엄청나게 올라 우주 대부분이 생명이 서식할 수 있는 환경이 될 수 있다는 뜻이기 때문에, 생명체의 발생 및 존재에 대해 긍정적인 과학자들은 적색왜성계에서의 생명 발생 가능성에 대해 연구하고 탐색하고 있다.

2023년에는 제임스 웹 우주 망원경이 적색왜성계 행성인 K2-18b의 대기에서 생명체 존재 징후로 추정되는 기체(메테인, 수증기, 디메틸 설파이드 등)들을 발견했다. 다만 데이터의 노이즈 등에 의한 오류일 가능성이 있어 추가 검증이 필요한 상황이다.

7. 문서가 있는 적색왜성

8. 창작물에서의 적색왜성

태양보다 작은 별들은 전반적으로 대중들의 인지도가 낮으므로 스페이스 오페라를 비롯한 매체에서는 K형 주계열성보다 인기가 없어 등장 사례가 드문 편이다. 프록시마 센타우리, 바너드별, TRAPPIST-1 등 지구랑 가깝거나 과학계에서 화제가 되어서 인지도가 높은 편인 적색왜성은 다뤄지기도 하지만, 가공의 항성계의 중심별이 적색왜성인 경우는 별로 없다. 그나마 우주생물학, 가상생물학의 배경에서나 종종 언급되는 수준. 또한 적색왜성의 후주계열 단계인 청색왜성, 백색왜성, 흑색왜성의 경우 인지도가 더더욱 낮을뿐더러 매우 먼 미래에만 생성이 가능하므로 등장하는 매체가 없다시피하다.

DC 코믹스 - 슈퍼맨의 고향 행성인 크립톤은 붉은 태양 주변을 공전한다. 적색왜성이라는 설정이나 수명을 거의 다해가는 적색거성으로 묘사되는 경우가 흔하다.
아우렐리아와 블루 문 - 해당 다큐멘터리에서 아우렐리아(오릴리아) 행성은 적색왜성을 공전하는 조석고정된 행성이다.
스타워즈 - Barab 항성계
엘리트: 데인저러스 - 실제 항성계 및 천문학적 데이터들을 바탕으로 개발되었기에 은하계 항성 대부분은 적색왜성으로 설정되어 있다.
SCP 재단 - 적색왜성 글리제 628을 모티브로 한 SCP-1548-KO가 있다.
에일리언 월드 - 야누스 항성계

9. 같이보기

[1] 실제 근거리 모습은 이르면 2060년대가 되면 볼 수 있을 것으로 예상된다. 프록시마에 초소형 성간 탐사선을 보내는 스타샷 프로젝트가 계획중이기 때문. [2] 쿠르츠게작트의 영상. [3] RD또는 dM(dwarf M)으로 줄여 부르기도 한다. [4] 중원소 함량에 따라 태양 질량의 7% ~ 9% 사이로 변동 가능하다. [5] Dh Tauri는 적색왜성임에도 광도가 태양의 22%나 된다. [6] 적색왜성은 대부분의 에너지를 적외선 영역에서 방출하에 주로 적외선 망원경을 사용하여 관측한다. [7] 태양 질량의 8%인 적색왜성의 중심 온도는 450만 켈빈이며 압력도 태양의 1/13밖에 되지 않기 때문에 연료를 매우 천천히 태운다. [8] 여전히 중수소나 리튬 핵융합이 매우 느리게 이루어지긴 하지만, 경수소 핵융합을 할 수 없으면 항성이 아니라 그냥 뜨거운 가스 덩어리에 불과할 뿐이다. [9] 비확장 분광형에서는 M9로 취급하는 경우도 있다. [10] 갈색왜성은 핵융합이 원활하지 않기에 표면에서 리튬이 검출되는 경우가 흔하다. 그러나 무겁고 오래된 갈색왜성은 리튬을 전부 태워버린 경우가 있으며, 반대로 생성된 지 얼마 되지 않은 적색왜성은 리튬을 가지기에 완벽하지는 않다. [11] 참고로 태양은 1초에 6억톤의 수소를 태운다. [12] 사실 DH Tauri는 아직 태어난지 얼마 안된 황소자리 T형 별이기 때문에 반지름이 태양보다 크다. [13] 특히 늙은 적색왜성들은 이러한 대류 작용에 전적으로 의존할 것으로 예측된다. [14] 태양 정도의 중원소 함량에서는 고작(?) 12조 년이 최장 한계로 예상된다. [15] 적색왜성의 수명이 아무리 길어도 수천억~1조 년 남짓일 것으로 과소평가하는 경우도 있으나, 이는 태양 등 더 무거운 별들의 수명을 계산하는 공식을 그대로 적용시켜 발생한 오류이다. 적색왜성을 제외한 나머지 주계열성들은 중심핵 근처의 질량인 10%만을 연료로 쓸 수 있는 반면 적색왜성은 자기 질량 전체를 연료로 쓸 수 있다. 적색왜성의 수명을 계산할 때는 이에 6~10(중원소에 따른 편차가 있다.) 정도를 곱해주어야 한다. [16] 우주의 나이가 이제 138억 살이 조금 넘었다. 못해도 우주 나이의 5~6배, 많으면 1000배 이상은 더 산다는 뜻. [17] 빅뱅 우주론에 따르면 최초로 태어난 별들은 수소, 헬륨, 리튬으로만 구성되었다. 문제는 이러한 적색왜성들이 발견되고 있지 않다는 것이다. [18] 바너드의 질량과 비슷하다. [19] 적색거성은 0.1 kg/㎥의 밀도를 지니는 반면 적색왜성은 이미 어느 정도 축퇴된 상태이므로 수만~수십만 kg/㎥의 밀도를 가진다. 크기 대신 온도가 올라간 청색왜성의 밀도도 이와 비슷할 것으로 예상된다. 따라서 외피층을 우주로 날려보내기는 어렵다. [20] 현 우주 나이에서는 태양 질량 0.8배(분광형상 어두운 G형) 미만인 별들은 수명을 다 한 사례가 없다. [21] 달은 항상 앞면이 지구를 향하고 있고 뒷면은 지구를 향하는 일이 없기 때문에 인류는 우주 탐사선을 쏘아올리기 전까지는 달의 뒷면을 볼 길이 없었다. [22] 대표적으로 수성은 큰 이심률로 인한 조석력의 차이로 3번 자전할 때 마다 2번 공전하는 3:2 자전-공전 공명을 한다. [23] 실제로 플레어가 강한 섬광성들은 적색왜성들이 많다고 한다. [24] 이 정도의 방사능이면 자기그릇의 색도 변색시킨다. [25] 갈색왜성은 가시광선이 거의 없어서 적색왜성보다 더 불리하긴 하다. 애초 핵융합 자체를 못 하는 게 갈색왜성이며 때문에 왜성은커녕 행성급으로 취급받기도 한다. [26] 수명이 최단으로 짧은 적색왜성도 태양보다는 수명이 훨씬 더 길다. 애초 질량이 무겁고 밝은 별일수록 수명이 짧고(최저 수백만 년) 그 반대의 경우는 수명이 기니까 항성의 최저라인인 적색왜성이 수명이 긴 것은 그리 이상한 일은 아니다. [27] 다만 이것도 시간이 그리 많지 않은건 사실인데 캄브리아기만 해도 태양이 탄생하고 45억년 정도 후에나 시작되었다. [28] 만일 비슷한 일이 21세기에 일어났다면 엄청난 피해가 발생하여 복구까지 10년 이상이 걸릴 것이라고 한다. [29] 2단계 문명의 에너지 사용량을 태양을 기준으로 할 경우 1단계 후반으로 격하된다. [30] Star Lifting, 항성의 대기를 외부로 뽑아내 자원으로 활용하거나 수명을 연장시킬 수 있는 기술이다. [31] 금성은 골디락스 존의 시작점에, 화성은 끝부분에, 지구는 한가운데 있다.