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행성상 성운의 색깔 배치에 대해 질문드립니다.
2020-04-06
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분야
천체물리/우주론
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조회수
2962
지구과학 사범대에서 공부중인 학생입니다. 행성상 성운을 공부하다 질문드립니다.
행성상 성운을 보면 안쪽이 푸른빛, 바깥쪽이 붉은빛을 띠고 있습니다.
푸른빛이 산소의 금지선에 기인하고, 붉은빛은 수소의 H알파선에 기인한다고 가정했을 때, 푸른빛이 붉은빛보다 안쪽에 위치하는 이유에 대해서 생각해봤습니다.
먼저 산소의 금지선 [OIII] 495.9nm, 500.0nm 이 중성산소를 OIII 금지선을 만들기 위해 필요한 광자인가요 아니면 바닥상태의 OIII 에서 [OIII]를 만들기 위해 필요한 광자인가요?
(1). 2번 이온화 상태에서 준준위로 올리는 에너지가 약 500nm라고 생각하는 경우
위키피디아에 나온 자료로는 수소 이온화 에너지는 1312.0 kJ/mol
산소는 1차 1313.9kJ/mol, 2차 3388.3kJ/mol가 나옵니다.
제가 생각하기에는 산소가 금지선을 만들기 위해서는
1차 이온화 에너지 + 2차 이온화 에너지 + 2차 이온화 상태에서 준준위까지 올리기 위한 에너지 3가지가 전부 합산이 된 에너지가 투입되어야(이 부분도 생각해보니 단순 합산으로 계산 해도 되는건지 모르겠습니다. 차라리 2차 이온화 에너지에 해당하는 광자가 충분한 경우라고 봐야할 것 같은데...) OIII 금지선이 방출될 것 같습니다. 따라서 '이 에너지를 가지는 영역은 백색왜성에 가까운 영역이므로 푸른빛을 띠는 영역은 내부에 존재한다.' 라고 생각합니다. '이정도의 에너지로는 수소는 당연히 전리상태에서 평형을 이룰것이므로 바닥상태의 수소가 없기 때문에 H알파선은 나올 수 없다.' 라고 생각합니다.
(2). 바닥상태에서 2번이온화상태 + 준준위 까지 올리는 에너지가 약 500nm라고 생각하는 경우
이 경우에도 '500nm에 해당하는 광자의 개수밀도는 백색왜성 근처로 갈 수록 증가하므로 내부로 갈 수록 산소금지선이 더 강해질 것이다. 따라서 내부에 푸른빛, 바깥쪽이 붉은 빛을 띠는 것을 설명할 수 있다.' 하지만 이 경우라면 푸른빛 영역과 붉은 빛 영역의 두께가 거의 일치할 것 같습니다.
저는 (1)이라 생각하는데, 일단 두가지 방법 다 색깔 배치에 대한 설명이 가능합니다. 그래도 교사가 되려하니 정확한 지식을 알고싶어 문의드립니다. 오개념이 있으면 수정해주시면 감사하겠습니다.
추가로 '엄밀히 따지면 HII전리영역에서는 전리 상태로 평형을 이루기 때문에 H알파선은 나오더라도 매우 약하며 전리영역에서 조금씩 멀어질 수록 HI이 늘어나고 라이먼, 발머 등등 광자를 흡수하면서 재방출하는 과정에서 붉은 빛을 띠게 된다.' 라는 생각이 옳은 생각인가요?
행성상 성운을 보면 안쪽이 푸른빛, 바깥쪽이 붉은빛을 띠고 있습니다.
푸른빛이 산소의 금지선에 기인하고, 붉은빛은 수소의 H알파선에 기인한다고 가정했을 때, 푸른빛이 붉은빛보다 안쪽에 위치하는 이유에 대해서 생각해봤습니다.
먼저 산소의 금지선 [OIII] 495.9nm, 500.0nm 이 중성산소를 OIII 금지선을 만들기 위해 필요한 광자인가요 아니면 바닥상태의 OIII 에서 [OIII]를 만들기 위해 필요한 광자인가요?
(1). 2번 이온화 상태에서 준준위로 올리는 에너지가 약 500nm라고 생각하는 경우
위키피디아에 나온 자료로는 수소 이온화 에너지는 1312.0 kJ/mol
산소는 1차 1313.9kJ/mol, 2차 3388.3kJ/mol가 나옵니다.
제가 생각하기에는 산소가 금지선을 만들기 위해서는
1차 이온화 에너지 + 2차 이온화 에너지 + 2차 이온화 상태에서 준준위까지 올리기 위한 에너지 3가지가 전부 합산이 된 에너지가 투입되어야(이 부분도 생각해보니 단순 합산으로 계산 해도 되는건지 모르겠습니다. 차라리 2차 이온화 에너지에 해당하는 광자가 충분한 경우라고 봐야할 것 같은데...) OIII 금지선이 방출될 것 같습니다. 따라서 '이 에너지를 가지는 영역은 백색왜성에 가까운 영역이므로 푸른빛을 띠는 영역은 내부에 존재한다.' 라고 생각합니다. '이정도의 에너지로는 수소는 당연히 전리상태에서 평형을 이룰것이므로 바닥상태의 수소가 없기 때문에 H알파선은 나올 수 없다.' 라고 생각합니다.
(2). 바닥상태에서 2번이온화상태 + 준준위 까지 올리는 에너지가 약 500nm라고 생각하는 경우
이 경우에도 '500nm에 해당하는 광자의 개수밀도는 백색왜성 근처로 갈 수록 증가하므로 내부로 갈 수록 산소금지선이 더 강해질 것이다. 따라서 내부에 푸른빛, 바깥쪽이 붉은 빛을 띠는 것을 설명할 수 있다.' 하지만 이 경우라면 푸른빛 영역과 붉은 빛 영역의 두께가 거의 일치할 것 같습니다.
저는 (1)이라 생각하는데, 일단 두가지 방법 다 색깔 배치에 대한 설명이 가능합니다. 그래도 교사가 되려하니 정확한 지식을 알고싶어 문의드립니다. 오개념이 있으면 수정해주시면 감사하겠습니다.
추가로 '엄밀히 따지면 HII전리영역에서는 전리 상태로 평형을 이루기 때문에 H알파선은 나오더라도 매우 약하며 전리영역에서 조금씩 멀어질 수록 HI이 늘어나고 라이먼, 발머 등등 광자를 흡수하면서 재방출하는 과정에서 붉은 빛을 띠게 된다.' 라는 생각이 옳은 생각인가요?
안녕하세요 천문연구원입니다.
별에서 나오는 빛의 스펙트럼을 고려했을 때, 높은 에너지를 갖는 광자의 개수는 낮은 에너지를 갖는 광자의 개수보다 적습니다. 높은 에너지를 갖는 광자는 별 가까이에 있는 물질을 이온화시키고 나면 완전히 소모되어 버립니다. 반면에 낮은 에너지를 갖는 광자의 개수는 상대적으로 더 많기 때문에 더 멀리까지 전달되어 더 많은 물질을 이온화시킬 수 있습니다. 따라서, 이온화에너지가 높은 이온(2번 이온화된 산소)은 별에서 가까운 위치에서만 만들어질 수 있습니다. 반면에 1번 이온화된 산소는 산소를 2번 이온화시킬 수 있는 광자가 더 이상 도달하지 않는 바깥 영역에 존재하게 됩니다. 수소의 경우는 이온화에너지가 비교적 낮기 때문에 별의 근방에서부터 전리영역의 바깥 경계까지 모든 위치에서 이온화된 상태로 존재합니다.
산소의 금지선 [O III] 495.9nm, 500.0nm 은 2번 이온화된 산소가 전자와 충돌하여 들뜸 상태로 갔다가 바닥상태로 내려오면서 만들어집니다. 반면에 H알파선은 이온화된 수소가 전자와 재결합하여 중성수소가 되는 과정에서 발생합니다. (재결한 중성수소는 다른 광자에 의해 바로 다시 이온화됩니다.) 따라서 [O III] 금지선은 행성상의 성운 중심부에서만 방출되고 H알파선은 행성상 성운의 전체 영역에서 골고루 방출됩니다. 다만 중심부에서는 [O III] 금지선때문에 파란색이 상대적으로 강하게 부각되어 보일 뿐이지 H알파의 붉은 색 파장이 나오지 않는 것이 아닙니다.
행성상 성운 (또는 H II 전리영역)내부에서 수소원자는 거의 완전히 이온화된 상태로 존재합니다. 전리영역의 H알파선은 중성수소가 전자와 충돌하여 들떴다가 내려오면서 방출되는 것이 아니라, 이온화된 수소가 전자와 재결한 후 속박된 전자가 양자번호가 낮은 궤도로 자발적으로 cascade down 하는 과정에서 방출됩니다.
감사합니다.
별에서 나오는 빛의 스펙트럼을 고려했을 때, 높은 에너지를 갖는 광자의 개수는 낮은 에너지를 갖는 광자의 개수보다 적습니다. 높은 에너지를 갖는 광자는 별 가까이에 있는 물질을 이온화시키고 나면 완전히 소모되어 버립니다. 반면에 낮은 에너지를 갖는 광자의 개수는 상대적으로 더 많기 때문에 더 멀리까지 전달되어 더 많은 물질을 이온화시킬 수 있습니다. 따라서, 이온화에너지가 높은 이온(2번 이온화된 산소)은 별에서 가까운 위치에서만 만들어질 수 있습니다. 반면에 1번 이온화된 산소는 산소를 2번 이온화시킬 수 있는 광자가 더 이상 도달하지 않는 바깥 영역에 존재하게 됩니다. 수소의 경우는 이온화에너지가 비교적 낮기 때문에 별의 근방에서부터 전리영역의 바깥 경계까지 모든 위치에서 이온화된 상태로 존재합니다.
산소의 금지선 [O III] 495.9nm, 500.0nm 은 2번 이온화된 산소가 전자와 충돌하여 들뜸 상태로 갔다가 바닥상태로 내려오면서 만들어집니다. 반면에 H알파선은 이온화된 수소가 전자와 재결합하여 중성수소가 되는 과정에서 발생합니다. (재결한 중성수소는 다른 광자에 의해 바로 다시 이온화됩니다.) 따라서 [O III] 금지선은 행성상의 성운 중심부에서만 방출되고 H알파선은 행성상 성운의 전체 영역에서 골고루 방출됩니다. 다만 중심부에서는 [O III] 금지선때문에 파란색이 상대적으로 강하게 부각되어 보일 뿐이지 H알파의 붉은 색 파장이 나오지 않는 것이 아닙니다.
행성상 성운 (또는 H II 전리영역)내부에서 수소원자는 거의 완전히 이온화된 상태로 존재합니다. 전리영역의 H알파선은 중성수소가 전자와 충돌하여 들떴다가 내려오면서 방출되는 것이 아니라, 이온화된 수소가 전자와 재결한 후 속박된 전자가 양자번호가 낮은 궤도로 자발적으로 cascade down 하는 과정에서 방출됩니다.
감사합니다.