소개
질량이 부족하여 핵융합이 불가능한 천체로써 보통 태양과 동일한 중원소 함량을 가진 경우 목성 질량의 13~78배의 질량을 가지고 있다. 하지만 행성하고는 구분되는데 항성에서 일어나는 양성자 양성자 연쇄 반응(PP반응)은 불가능한 반면, 중수소를 태울 수 있는 차이점이 있다.
표면온도는 250K~2000K으로 분광형은 L, T, Y형으로 구분된다. 갓 태어난 갈색왜성은 분광형 M의 갈색왜성도 존재하며 나이가 먹을수록 온도가 내려간다.
핵융합
갈색 왜성은 질량이 작기 때문에 일반적인 주계열성에서 일어나는 양성자-양성자 연쇄 반응은 불가능하다. 하지만 중수소는 목성 질량의 13배에 중심온도 50만K만 되면 일어날 수 있다. 갈색왜성은 이러한 중수소를 핵융합 한다.
하지만 갈색 왜성은 워낙 질량이 작기 때문에 연료를 매우 천천히 태운다. 중수소는 갈색왜성의 전체 질량의 22ppm에 불과하지만 굉장히 오랫동안 태울 수 있는데 25~8000억년에 걸쳐 서서히 태운다. 질량이 커질수록 태울 수 있는 연료의 범위는 늘어나지만, 질량이 큰 갈색왜성이 태울 수 있는 모든 동위체를 다 합쳐도 (중수소, 헬륨-3, 리튬, 베릴륨, 붕소) 갈색 왜성 질량의 60ppm에 불과하다. 이렇게 소량의 연료를 느리게 핵융합을 하기 때문에 외부에는 굉장히 낮은 에너지만 전달되게 된다. 따라서 갈색왜성은 처음 태어날 때에는 2600K의 온도를 가지고 있지만 급격히 식게 되는 것이다. 식더라도 내부에서는 핵반응은 일어나지만 핵반응의 열이 갈색 왜성을 데우지는 못한다.
질량이 커다란 갈색왜성의 경우 태우는 속도는 더 빠르다. 무려 25억년 만에 모든 연료를 다 태운다. 따라서 더 빨리 연료가 고갈된다. 하지만 식는 속도는 질량이 큰 갈색 왜성이 더 느리다. 이는 질량이 큰 갈색왜성은 핵융합과와는 별개로 자체 질량으로 인해 생성되는 내부의 압력으로 인해 생성된 열이 더 많이 나오고 이것이 작은 질량의 갈색왜성에서 일어나는 핵반응보다도 훨씬 많이 나오기 때문이다.
목성 질량의 65배가 넘어가면 리튬을 태울 수 있으며, 70배가 넘어가면 헬륨-3와 헬륨-3와의 핵반응도 일어난다.
하지만 이들은 양도 적고 태우는 속도도 느리기 때문에 사실 핵융합은 의미가 없다.
이러한 이유로 갈색왜성의 중심온도는 300만K을 넘지 않는다.
목성 질량의 75배의 갈색 왜성은 25억년 만에 내부 연료를 다 태울 수 있다. 연료가 고갈되도 자체 질량으로 인한 내부열은 계속 생성되므로 매우 천천히 식어간다.
분광형 별 색상
갈색왜성의 분광형은 L(1273K~1973K), T(673K~1273K), Y(273K~673K)로 구분된다. 막 태어난 갈색왜성은 분광형 M5~M8에서 시작하며, 질량이 클수록 분광형이 높게 시작된다. 하지만 나이가 들면 분광형이 L로 된다. 분광형 L0는 표면온도가 1970K이며, 황색과 흰색이 섞인 황백색 상태이다. 분광형이 내려갈수록 색상은 어두워지며 T0에 이르게 되면 완벽한 황색에 표면온도는 1270K에 이르게 된다. T5(870K)에 이르게 되면 황색과 적색이 반반 혼합된 상태이며, Y0(673K)으로 내려가면 적색빛이 난다. Y5(480K)에서는 갈색과 적색이 혼합된 상태이며, Y7(370K)부터는 거의 완벽한 갈색이다. 이 이하로 내려가게 되면 갈색에 검은빛이 섞이게 되어 빛을 잃어버리기 시작하여, 분광형 P0(270K)으로 되면 색을 완전히 잃어버리고 검은색으로 된다.
하지만 지구에서는 모든 분광형을 통틀어 갈색으로 관측되므로 갈색왜성으로 불리고 있다. 또한 질량이 가장 작은 질량 하한선의 갈색왜성이라도, 최초의 갈색왜성이 대략 130억년전에 생성되었으므로 분광형 Y8(340K) 밑으로 식은 검은색의 갈색왜성은 아직 존재하지 않는다.
특징
갈색왜성은 태어날 때는 뜨겁고 밝다. 수축열 덕분이다. 하지만 나이가 들수록 점차 어두워지고 식어간다. 내부의 핵반응은 매우 약해서 갈색왜성 표면 온도를 유지시켜 줄 수 없다. 따라서 나이가 들수록 점점 수축되고 차가워진다.
보통 목성 질량의 13배의 갈색왜성의 지름은 목성의 2.2배이지만, 100억살이 넘어가면 1.8배까지 수축한다. 하지만 질량이 커다란 갈색왜성일수록 질량은 크지만 크기가 작아진다. 목성 질량의 70배의 갈색왜성은 태어났을 때에는 목성의 1.5배이지만, 나이가 들면 목성 지름의 70%까지 줄어든다. 이는 질량이 큰 갈색왜성의 경우는 내부 밀도가 엄청나다는 뜻이다.
나이 든 목성 질량의 70배의 갈색 왜성의 평균 밀도는 물 밀도의 250배나 된다. 하지만 갈색 왜성은 질량이 작아 중심핵의 가장 밀도가 많이 나가는 부분도 물 밀도의 980배를 넘지 않는다. 즉 평균 밀도와 중심핵의 밀도가 4배가 채 되지 않는다.
갈색왜성과 항성간의 경계선은 갈색 왜성 내부의 중원소 함유량에 따라 다르다. 중원소 함량이 태양의 1%에 불과한 갈색왜성은 태양 질량의 8.9%이지만 태양 중원소 함량의 2배가 넘는 경우 목성 질량의 75배까지 줄어든다.
이는 내부의 중원소로 인한 약간의 밀도 차이로 인해 PP반응이 영향을 받기 때문이다.
갈색왜성은 나이가 들수록 점차 식어간다. 하지만 계속 무한정 식지는 않는다. 갈색왜성은 핵융합과는 별개로 질량이 크기 때문에 자체 질량으로 인한 내부의 압력열로 인해 열이 생산되고 있다. 목성 질량의 13배의 갈색왜성은 표면온도가 200K이하로는 온도가 내려가지 않게 되며 40배가 넘어가면 280K이하로 온도가 내려가지 않는다. 더 큰 목성 질량의 70배의 갈색왜성은 370K이하로 온도가 내려가지 않게 된다. 질량이 목성의 75배, 즉 갈색왜성 최대급 질량의 경우는 400K이하로 온도가 내려가지 않게 된다.
물론 아직 우주의 나이가 137억 9800만년이고 최초의 갈색왜성이 생성된지 불과 130억년도 채 되지 않았기 때문에 현재 망원경으로 발견된 가장 차가운 갈색왜성의 표면온도는 300K이하는 아직 발견되지 않았다.