Wonderful Science | 별에서 온 그대

별에서 온 그대

별과 원소

　

　

 여름 저녁에 도시 불빛을 피해 밤하늘을 올려다보면, 동쪽에 치우쳐 남북으로 길게 은하수가 흐릅니다. 거기서 중앙 쪽으로 유난히 빛나는 별을 하나 볼 수 있을 것입니다. 거문고자리 일등성인 ‘베가’죠. 우리에겐 ‘직녀성’으로 알려진 애잔한 별이에요. 직녀의 위치를 알면 견우가 어디 있을지도 알 수 있겠죠? 은하수 건너 살짝 남쪽으로 치우친 독수리자리의 알파성인 ‘알타이르’가 견우입니다. 일 년 중 단 하루, 칠월 칠석(음력 7월 7일)에 연인은 까치와 까마귀의 도움으로 오작교(은하수)에서 만나 안타까운 사랑을 이룹니다. 

　

 이 은하수를 따라 북쪽으로 조금만 눈길을 돌리면 우아한 비행을 하는 백조자리가 보일 것입니다. 백조의 머리에 해당하는 일등성 ‘데네브’와 직녀성인 ‘베가’, 견우성인’ 알타이르’가 바로 유명한 ‘여름철 대삼각형’을 이루는 세 별입니다. 오늘 밤엔 한 번쯤 고개를 들어 이들을 만나보면 어떨까요?

　

<여름철 대삼각형과 은하수, 출처 : 염범석>

　

　

　

1. 태양은 별이다

 별은 항성이고, 항성은 핵융합으로 스스로 빛을 내는 천체입니다. 그에 반해 지구 같은 행성은 핵융합하지 않으므로 스스로 빛을 내지 않고 항성 주위를 공전합니다. 그러니까 밤마다 밝게 빛나는 목성이나 금성은 ‘별’이 아니고 행성입니다. 행성이 밝은 것은 항성의 빛을 반사하기 때문이지요. 지구에서 가장 가까이 있는 별은 무엇일까요? 빛으로 8분 20초면 만날 수 있는 별, 바로 우리의 태양입니다. 

　

<잘 알려진 별들의 겉보기 색과 크기. 태양(Sun)은 가운데 있다. 

시리우스의 겉보기 등급은 -1.44로 밤하늘에서 가장 밝은 항성이지만, 실제 크기는 오리온 자리의 어깨에 있는 베텔게우스보다 비교할 수 없게 작다.

전갈자리의 안타레스도 매우 큰 적색 초거성이다. 항성의 색으로 온도를 알 수 있다. 출처 : 위키백과>

　

　

　

2. 별은 핵융합을 한다

 별은 핵융합하는 천체이고, 핵융합이란 핵이 합쳐지는 것을 말합니다. 가장 간단한 원소인 수소는 우주에 있는 물질의 75%를 차지합니다. 수소는 다른 원소와 마찬가지로 원자핵과 전자로 이루어져 있지요. 특히 수소 원자핵을 양성자라고 합니다. 수소 핵융합을 하면 바로 이 양성자가 묶여서 새로운 원소인 헬륨이 됩니다. 그런데 이 과정에서 약간의 질량 손실이 있게 되고, 그 손실된 질량만큼 빛과 에너지가 방출됩니다. 아인슈타인 하면 떠오르는 공식, E=mc2 아시죠? 질량 m이 아무리 작아도 옆에 곱해지는 빛 속도인 c의 제곱 값이 워낙 커서, 에너지 E가 무지 커질 수밖에 없지요. 별이 저리도 뜨겁고 밝은 빛을 내는 원리가 바로 핵융합입니다. 

　

<핵융합의 원리. 수소 원자핵인 양성자 4개의 질량과 양성자 2개와 중성자 2개로 이루어진 헬륨 원자핵의 질량차이가 별을 빛나게 한다.

출처 : ZUM 학습백과, 태양 복사 에너지>

　

　

　

3. 질량이 운명이다

 인생이 100년 정도라고 하면 별의 수명은 얼마나 될까요? 별의 운명은 초기질량이 결정합니다. 별의 수명은 질량의 제곱에 반비례하는데, 100억 년을 사는 우리 태양보다 10배 무거운 별은 수명이 1/100로 1억 년밖에 못살고, 태양보다 10배 가벼운 별은 100배인 1조 년을 살 수 있습니다. 별은 짧고 굵게 살거나 가늘고 길게 사는 셈이지요. 우리 태양은 지금 46억 살이니까 전체 수명에서 절반 정도를 살았다고 할 수 있겠네요. 태양은 지금 수소가 헬륨으로 핵융합하고 있는데, 이런 별들을 주계열성이라고 합니다. 

 50억 년 후에 태양은 중심의 수소가 헬륨으로 바뀌고 그 바깥에 수소가 남아있다가 다시 한 번 핵융합을 하면서 팽창하는 적색거성이 됩니다. 수축한 중심부에서 헬륨이 핵융합해 탄소가 만들어지고, 바깥쪽의 헬륨과 수소가 불안정해지면서 많은 물질을 방출하는 행성상 성운이 됩니다. 결국에는 중심부의 탄소만 남아 서서히 죽어가는 백색왜성이 되지요. 탄소가 압력을 받으면 중심부는 다이아몬드가 될 수도 있습니다. 지구는 태양이 적색거성이 될 때 그의 품 안에서 완전히 하나가 될 것이니, 우리 몸의 탄소는 혹시 예쁜 다이아몬드가 되지 않을까요?

　

<태양의 일생. 태양의 수명은 100억년이고 현재는 46억살이다. 출처 : 위키백과>

　

　

　

4. 별의 질량과 원소의 기원

 태양 정도의 질량을 갖는 별은 수소 핵융합으로 헬륨을, 헬륨 핵융합으로 탄소까지 만들 수 있습니다. 태양보다 훨씬 무거운 별에서는 핵융합으로 헬륨, 탄소, 네온, 산소, 규소와 철까지 만들 수 있습니다. 그러나 중심부에 철이 생기면 더는 원소는 만들어지지 않고 중심핵이 중력을 못 이겨 연쇄적으로 붕괴가 일어나고, 되 튕기는 탄성으로 엄청난 폭발이 일어납니다. 초신성 폭발이지요. 이때의 밝기는 초신성 폭발 하나가 작은 은하 전체의 밝기와 맞먹을 정도입니다. 이 과정에서 철 이후 우라늄까지 주기율표의 모든 원소가 찰나적으로 생성돼 우주공간에 흩뿌려집니다. 초신성 폭발  사진들에서 보이는 화려한 색상은 다양한 원소의 존재를 말합니다. 

 폭발 후 남은 코어는 수축하여 중성자별이 되고, 질량이 더 큰 별은 한없이 수축하여 결국 블랙홀이 됩니다. 중성자별을 한 티스푼 떼어내면 무게가 에베레스트 산과 맞먹습니다. 다시 얘기하면, 우주에 있는 원소 중 헬륨(대부분은 빅뱅에서)부터 철까지는 별의 핵융합 과정에서 만들어지고, 철 이후 나머지 원소들은 초신성 폭발에서 생겼습니다.

　

<별의 일생. 별의 마지막은 백색왜성, 중성자별, 블랙홀이 된다. 출처 : 찌꾸 선생님의 photohuman.com>

　

 그런데 여기서 잠깐, 주기율표 1번이자 우주 물질의 3분의 2를 차지하는 수소는 정작 어디서 온 것일까요? 바로 빅뱅입니다. 더 정확히는 빅뱅 후 1초에 수소 원자핵인 양성자가 만들어집니다. 헬륨의 원자핵인 알파입자가 빅뱅 후 3분에 생겨나고, 38만 년에 전자가 원자핵에 포획되어 원자가 탄생합니다. 그동안 전자의 진로방해로 움직이기 힘들었던 광자(빛)가 드디어 원자들 사이에 생긴 공간으로 힘차게 뻗어나와 온 우주를 달리기 시작합니다. 이 빛을 찍은 것이 우주배경복사이지요. 빅뱅 후 38만 년이라는 완전 초기 우주의 빛을(138억 년 동안 달리면서 팽창한 공간 때문에 지금은 마이크로파가 된) 그대로 찍은 겁니다. 당신이 보고 있는 밤하늘의 별빛은 138억 년 우주의 과거를 동시 상영하는 영화관입니다.

 우주에 있는 모든 원소의 기원이 빅뱅에서 수소와 헬륨, 별의 핵융합으로는 철까지, 초신성 폭발로 나머지 원소가 생긴다는 것을 알게 되었습니다. 모두 주기율표에 있는 것들입니다. 광대한 우주의 크기를 생각하면 자연에서 생긴 원소가 100개도 안 된다는 게 신기하기도 합니다. 

　

<원소들의 기원을 표시한 주기율표. 수소와 대부분의 헬륨은 빅뱅에서 왔다. 철까지는 별의 핵융합으로, 철 이후 우라늄까지는 초신성의 폭발이 기원이다.>

　

　

　

5. 별에서 온 그대

　

<우주와 나는 재료가 같다. 출처 : UNIVERSITY of NOTRE DAME, How You Became You – Origin of the Elements of Life>

　

 우주의 원소들이 지구와 내 몸을 이루었습니다. 우주와 나의 재료는 완전히 같습니다. 우리 목숨은 숨과 숨 사이에 있다는 말이 있죠. 숨쉬기가 일어나는 폐를 분자적으로 본다면 산소와 이산화탄소의 이동일 뿐입니다. 우리의 유전자는 단백질 덩어리인데, 이 다양한 단백질들도 분자적으로는 탄소와 산소와 수소, 그리고 약간의 인과 황 등이 있을 뿐입니다. 우리 몸의 발전소라 할 수 있는 ATP 합성효소는 수소 원자핵인 양성자가 돌립니다. 하루에 무려 50kg의 ATP를 만들고, 그 에너지로 우리는 자판을 두드리고, 눈을 깜박이고, 누군가를 생각하고, 미소 지을 수 있습니다. 

 모든 것이 빅뱅과 별의 핵융합과 초신성 폭발에서 시작한, 원소들의 다이내믹한 춤으로 이루어지는 일입니다. 분자적인 측면에서 보면 당신과 내가, 소나무와 화강암이 하나도 다르지 않습니다. 소라의 집인 소라껍데기와 우리의 집인 아파트의 시멘트는 똑같이 칼슘으로 만들어져 있습니다. 모든 원소는 레고 블록과 같습니다. 매 순간 그 조합이 달라질 뿐이고 시간의 흐름 속에서 그저 순환할 뿐입니다.

　

<(좌)ATP합성효소. 노란 구슬이 양성자 출처 : Membrane Transport, P15 Structure and function of bacterial ATP synthases>

<(우)태국 어느 숲에서 나방이 곤충학자 한스 벤치거의 눈물을 마시고 있다. 나트륨원자가 한스벤치거에서 나방으로 옮겨지는 순간이다. 출처 : 한국경제, [책마을] 인체는 우주를 순환하는 원자의 정거장)>

　

 지금 내 몸을 이루고 있는 원소들이 먼 옛날 빅뱅과 별과 초신성의 잔해에서 왔듯이, 나는 곧 원소로 해체되어 지구에서 무수한 순환을 하다가, 먼 훗날엔 또 어느 새로운 별을 만들게 되겠죠. 우리는 별에서 와서 별로 돌아가는 존재입니다. 우리의 몸은 우주의 기억입니다. 사랑하는 이의 손에 담긴 체온은 우주적 사건입니다. 비록 찰나 같은 시간을 행성 지구에서 머물다 가겠지만, 부디 당신이 매 순간 모든 시공간을 통틀어 유일무이한 우주적 존재임을 잊지 마시길, 별에서 온 그대여!

　

　

　

별이

바위에 스며들어

꽃이 되었네

　

　

　

　

　

　

※ 이 글은 다양한 자료를 바탕으로 필자 개인의 견해를 나타낸 글이며, 회사 방침과는 무관합니다.

기고 | 엑셈 아카데미 김현미

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