발광성운이란? 붉게 빛나는 H II 영역과 오리온성운 M42·석호성운·독수리성운 (겨울밤 M42 찾는 법)

사진으로 보는 우주에서 가장 화려한 것은 대개 성운입니다. 진홍색 구름 속에 검은 먼지 띠가 휘감기고, 그 안에서 푸른 별들이 반짝입니다. 이런 붉은 성운 대부분이 오늘 다룰 발광성운입니다. 연재 「성운·성단·은하」 첫 편 산개성단과 구상성단에서 별은 가스와 먼지 구름 안에서 무리 지어 태어난다고 했습니다. 이번 편은 바로 그 구름, 별이 태어나는 산실 이야기입니다. 먼저 원리를 하나씩 짚고, 대표 성운으로 넘어가 마지막에는 이번 겨울 직접 보는 법까지 정리합니다.

원리 1. 성운은 스스로 빛날 수 있을까

성운은 별과 별 사이에 떠 있는 가스와 먼지의 구름입니다. 대부분 수소이고, 헬륨과 아주 적은 양의 다른 원소, 그리고 고운 먼지가 섞여 있습니다. 이런 구름은 그 자체로는 차갑고 어두워서 빛나지 않습니다. 성운이 우리 눈에 보이는 방법은 크게 세 가지입니다.

종류	어떻게 보이나	색	대표 예
발광성운	근처 뜨거운 별의 자외선을 받아 가스가 스스로 빛을 냄	사진에서 붉은색 (수소)	오리온성운 M42, 석호성운 M8, 독수리성운 M16
반사성운	먼지가 근처 별빛을 반사함	푸른색	플레이아데스 주변 성운
암흑성운	짙은 먼지가 뒤쪽 빛을 가림	검은 그림자	말머리성운

세 종류는 따로 떨어져 있기보다 한 구름 안에 섞여 있는 경우가 많습니다. 오리온성운만 해도 붉은 발광 부분, 푸르스름한 반사 부분, 검은 먼지 띠가 함께 보입니다. 반사성운과 암흑성운은 다음 편에서 따로 다룹니다.

원리 2. 왜 「H II 영역」이라고 부를까

천문학에서 「H I」은 보통의 중성 수소 원자, 「H II」는 전자를 잃은 수소, 즉 이온화된 수소를 뜻합니다. 발광성운 안에는 표면 온도가 수만 도에 이르는 O형·B형 별이 있습니다. 이런 별은 에너지가 큰 자외선을 엄청나게 쏟아 냅니다. 그 자외선이 주변 수소 원자에 부딪혀 전자를 떼어 냅니다. 그래서 별 주변에 이온화된 수소의 거품이 생기고, 이것을 H II 영역이라고 부릅니다. 발광성운과 H II 영역은 대부분 같은 대상을 가리킨다고 보면 됩니다.

그렇다면 떼어 낸 전자는 어떻게 될까요. 이온화된 수소는 끊임없이 전자를 다시 붙잡습니다. 붙잡힌 전자는 높은 계단에서 아래 계단으로 한 칸씩 뛰어내리듯 에너지 단계를 내려오는데, 내려올 때마다 그 높이 차이에 맞는 빛을 한 줄기씩 내놓습니다. 자외선이 이온화하고, 전자가 다시 붙으며 빛을 내고, 또 이온화되는 순환이 계속되는 한 성운은 빛납니다.

원리 3. 왜 하필 붉을까

수소의 전자가 세 번째 계단에서 두 번째 계단으로 내려올 때 나오는 빛의 파장은 약 656nm입니다. 무지개의 빨간색 끝 쪽에 해당하는 빛이고, 이것을 H알파선이라고 부릅니다. 수소 가스에서 나오는 가시광선 가운데 가장 강한 빛이어서, 발광성운 사진은 대부분 붉게 찍힙니다. 산소에서 나오는 청록색 빛이 섞이면 부분적으로 초록빛이나 푸른빛을 띠기도 합니다.

하나 바로잡을 오해가 있습니다. 망원경을 들여다보면 사진처럼 붉은 성운이 보일까요? 대개 아닙니다. 사람 눈은 어두운 곳에서 색을 느끼는 세포보다 밝기만 느끼는 세포를 주로 쓰고, 이 세포는 붉은빛에 특히 둔합니다. 그래서 오리온성운조차 눈으로는 회색빛이나 옅은 녹색 기운의 안개처럼 보입니다. 붉은색은 카메라가 오랜 시간 빛을 모아야 드러납니다. 실망하기보다는 「1,300여 년 전에 출발한 빛을 내 눈으로 직접 받고 있다」는 것을 즐기면 됩니다.

원리 4. 발광성운은 언제까지 빛날까

발광성운을 빛나게 하는 O형 별은 아주 무겁고 밝은 대신 수명이 짧습니다. 태양이 약 100억 년을 사는 데 비해 이런 별은 수백만 년 정도면 연료를 다 쓰고 초신성으로 폭발합니다. 또 별에서 나오는 강한 빛과 바람은 주변 가스를 밀어내고 흩어 버립니다. 그래서 발광성운은 우주의 시간으로 보면 잠깐 피었다 지는 꽃과 같습니다. 가스가 흩어지고 나면 그 자리에는 갓 태어난 별의 무리, 즉 산개성단이 남습니다. 플레이아데스처럼 말입니다.

사례 1. 오리온성운 M42: 가장 가까운 별의 산실

오리온성운은 오리온자리의 허리띠 세 별 아래, 「칼」에 해당하는 희미한 별 줄 가운데에 있습니다. 거리 약 1,340광년으로, 무거운 별이 활발하게 태어나는 큰 성운 가운데 지구에서 가장 가까운 곳으로 꼽힙니다. 지름은 약 24광년으로 추정됩니다.

성운 한가운데에는 사다리꼴로 모인 네 개의 밝은 별, 트라페지움이 있습니다. 이 젊고 뜨거운 별들, 특히 가장 밝은 별 하나가 뿜는 자외선이 오리온성운 대부분을 빛나게 하는 주인공입니다. 허블 우주망원경은 이 성운 안에서 갓 태어난 별을 둘러싼 원반, 행성이 만들어질 재료인 「원시 행성계 원반」을 수십 개 찍어 냈습니다. 46억 년 전 우리 태양계도 이런 곳에서 태어났을 것으로 봅니다. 허블 이야기는 허블 우주망원경 편에서 다뤘습니다.

오리온성운은 맨눈으로 보이는 몇 안 되는 성운입니다. 기록상 망원경으로 처음 이 성운을 기록한 사람은 17세기 초의 학자들이었고, 18세기 메시에가 목록에 42번으로 올렸습니다. 바로 위의 작은 성운은 M43으로, 사실 같은 구름의 일부입니다.

사례 2. 석호성운 M8: 여름 은하수 속의 호수

궁수자리에 있는 석호성운(라군성운) M8은 거리 약 4,000~5,000광년으로 추정됩니다. 성운 가운데를 가로지르는 어두운 먼지 띠가 바다와 떨어진 호수(석호)처럼 보여 이런 이름이 붙었습니다. 하늘에서 차지하는 크기가 보름달 지름의 약 세 배에 이를 만큼 넓어서, 어두운 곳에서는 맨눈으로도 은하수 속 작은 얼룩으로 보입니다. 우리나라에서는 여름밤 남쪽 하늘 낮은 곳, 은하수가 가장 짙은 궁수자리 주전자 모양 별 위쪽에서 찾을 수 있습니다. 바로 옆에는 붉은 발광 부분과 푸른 반사 부분이 함께 있는 삼렬성운 M20이 있습니다.

사례 3. 독수리성운 M16과 「창조의 기둥」

뱀자리에 있는 독수리성운 M16은 거리 약 6,500광년으로 알려져 있습니다. 이 성운을 세계적으로 유명하게 만든 것은 1995년 허블이 찍은 창조의 기둥 사진입니다. 차가운 가스와 먼지가 손가락처럼 솟은 세 개의 기둥으로, 가장 긴 것은 길이가 약 4광년에 이릅니다.

기둥 모양은 발광성운의 원리를 그대로 보여 줍니다. 위쪽의 뜨거운 별들이 쏘는 자외선이 구름을 깎아 내는데, 밀도가 높은 부분은 버티고 옅은 부분은 먼저 날아가 기둥처럼 남은 것입니다. 기둥 끝에는 깎여 나가는 가스가 희미한 안개처럼 피어오릅니다. 그리고 기둥 안쪽 짙은 덩어리 속에서는 지금도 별이 태어나고 있습니다. 2014년 허블이 더 선명한 사진을 다시 찍었고, 2022년에는 제임스 웹이 적외선으로 먼지를 꿰뚫어 기둥 속 갓 태어난 별들을 붉은 점으로 드러냈습니다.

한때 「창조의 기둥은 이미 초신성 폭발로 무너졌고 우리가 보는 것은 옛 빛일 뿐」이라는 이야기가 퍼졌습니다. 이는 일부 관측을 근거로 한 가설이었고, 이후 연구에서는 근거가 약하다는 의견이 많습니다. 우리가 보는 기둥이 6,500년 전의 모습이라는 것만은 확실합니다.

그 밖에 알아 두면 좋은 발광성운

성운	별자리	우리나라에서 보기 좋은 때	특징
장미성운 (NGC 2237 등)	외뿔소자리	겨울 밤	가운데 산개성단을 꽃잎처럼 둘러싼 둥근 성운. 사진으로 유명하지만 눈으로는 매우 희미함
북아메리카성운 (NGC 7000)	백조자리	여름~가을 밤	밝은 별 데네브 근처. 모양이 북아메리카 대륙을 닮음. 아주 어두운 곳에서 쌍안경으로 넓은 빛 얼룩
삼렬성운 (M20)	궁수자리	여름 밤	먼지 띠가 붉은 성운을 세 갈래로 가름. 붉은 발광 부분과 푸른 반사 부분이 이웃함
오메가성운 (M17)	궁수자리	여름 밤	백조 또는 말발굽 모양. 작은 망원경으로도 밝게 보이는 편
용골자리성운 (NGC 3372)	용골자리	남반구 하늘이라 국내에서는 보기 어려움	맨눈으로 보이는 큰 성운. 2022년 웹 첫 사진 「우주의 절벽」의 무대

발광성운을 찍는 천체 사진가들은 H알파 빛만 통과시키는 좁은 필터를 많이 씁니다. 도시의 가로등 불빛은 대부분 걸러 내고 성운의 붉은빛만 남기기 때문에, 빛 공해가 있는 곳에서도 성운 사진을 찍을 수 있습니다. 반대로 맨눈 관측에는 큰 도움이 되지 않습니다. 눈은 붉은빛에 둔하기 때문입니다. 눈으로 볼 때 쓰는 성운 필터는 주로 산소가 내는 청록색 빛을 통과시키는 종류입니다.

직접 본다면: 이번 겨울 M42 찾기

1. 시기와 시간: 12월에는 밤 11시 무렵, 1월에는 밤 10시 무렵, 2월에는 저녁 8~9시 무렵 오리온자리가 정남쪽에 가장 높이 뜹니다. 서울 기준 M42의 고도는 약 47도로, 고개를 반쯤 든 높이입니다.
2. 오리온 찾기: 남쪽 하늘에서 나란히 선 세 별(허리띠)을 먼저 찾습니다. 왼쪽 위의 붉은 별이 베텔게우스, 오른쪽 아래 푸른 별이 리겔입니다.
3. 칼 찾기: 허리띠 세 별 아래로 작은 별 세 개가 세로로 늘어서 있습니다. 그 가운데 별이 뿌옇게 번져 보이면 그것이 M42입니다. 맨눈으로는 도시에서 어렵고, 교외의 어두운 곳에서 잘 보입니다.
4. 쌍안경: 7×50 같은 쌍안경으로 보면 새의 날개를 펼친 듯한 빛 구름과 가운데 별들이 보입니다.
5. 망원경: 작은 망원경으로도 트라페지움 네 별이 갈라져 보입니다. 성운 주변을 천천히 훑으며 어두운 먼지 만(灣)을 찾아보세요.

오리온자리를 중심으로 한 겨울 별자리 전체 지도는 겨울철 별자리 편에 정리했습니다. 달이 밝으면 성운이 묻히므로 그믐 앞뒤 일주일이 좋고, 눈이 어둠에 익도록 10분 이상 휴대전화 화면을 보지 않는 것이 요령입니다.

다음 편 예고

발광성운이 스스로 빛나는 구름이라면, 별빛을 반사해 푸르게 빛나는 구름과 뒤쪽 빛을 가려 검게 드러나는 구름도 있습니다. 다음 편 「반사성운과 암흑성운」에서는 플레이아데스를 감싼 푸른 빛과 말머리성운, 여름 은하수를 가르는 검은 띠의 정체를 다룹니다.

자주 묻는 질문

Q. 발광성운과 H II 영역은 같은 말인가요?

대부분 같은 대상을 가리킵니다. 뜨거운 별의 자외선으로 수소가 이온화된 영역(H II 영역)이 빛을 내는 것이 발광성운입니다. 넓게는 행성상성운 등도 빛을 내는 성운에 포함되지만 생기는 원리가 다릅니다.

Q. 망원경으로 보면 사진처럼 붉게 보이나요?

대개 그렇지 않습니다. 사람 눈은 어두운 빛에서 색, 특히 붉은색을 잘 느끼지 못해 회색빛이나 옅은 녹색으로 보입니다. 붉은색은 카메라로 오래 빛을 모아야 드러납니다.

Q. 오리온성운은 맨눈으로 보이나요?

어두운 교외에서는 오리온자리 허리띠 아래 칼 가운데 별이 뿌옇게 번져 보입니다. 쌍안경을 쓰면 날개를 펼친 듯한 빛 구름을 확인할 수 있습니다.

Q. 창조의 기둥은 이미 사라졌나요?

그렇다는 주장은 가설이었고 이후 근거가 약하다는 의견이 많습니다. 우리가 보는 모습이 약 6,500년 전 빛이라는 점만 확실합니다.

Q. 발광성운은 왜 붉은가요?

수소 원자가 내는 가장 강한 가시광선인 H알파선(파장 약 656nm)이 붉은색이기 때문입니다. 발광성운은 대부분 수소로 되어 있습니다.

Q. 발광성운과 성단은 어떤 관계인가요?

발광성운 안에서 별이 무리 지어 태어나고, 가스가 흩어지면 그 별들이 산개성단으로 남습니다. 오리온성운 가운데의 트라페지움도 젊은 성단의 일부입니다.