오늘은 우리가 별의 자손인 이유에 대해서 포스팅해보겠습니다.
고대 그리스의 철학자 데모크리토스에게는 무딘 부엌칼 밖에 없었습니다. 그는 그 칼로 치즈를 자르는 실험을 하면서 모든 사물은 더 이상 자를 수 없는 입자의 형태로 존재할 것이라는 결론을 내렸습니다. 그리고 그 입자에 더 이상 차를 수 없다는 뜻의 원자라는 이름을 붙였습니다. 데모크리토스는 아마 치즈를 10번 이상 자르지는 못했을 겁니다.
만약 끝없이 자를 수 있는 칼이 있었다면 그는 몇 번을 자른 뒤에 원자를 확인할 수 있었을까요? 지방과 단백질을 구성하는 분자가 나올때까지 자르고 다시 탄소, 산소, 수소와 같은 원자가 나오려면 약 90번은 잘라야 했을 겁니다. 그리고 90번에서 한 번 더 잘랐다면 원자도 몇 개의 입자로 구성된 것임을 알았을 겁니다.
물론 눈으로 볼 수 있었다면 말이죠. 네, 오늘은 눈으로 볼 수 없는 미시세계 부터 거대한 별의 세계까지 그러니까 원자가 어떻게 구성되었는지부터 그 원자가 어디에서 왔는지를 한번 알아보겠습니다. 원자는 전자와 원자핵으로 이루어져 있습니다. 고전적인 원자 모델은 전자가 원자핵 주위를 공전하는 형태였지만 현대의 원자 모델은 전자가 확률적으로 원자핵 주변 어느 곳에든 위치할 수 있다는 양자이론을 따릅니다.
그래서 전자구름이라는 표현을 씁니다. 전자는 이름에서도 알 수 있듯이 전기를 띠고 있으며 그 전기 값은 마이너스입니다. 전자구름에 싸여 있는 원자핵은 플러스 전기를 띠는 양성자와 플러스도 마이너스도 아닌 중성자로 되어 있습니다. 원자는 전기적으로 항상 중성을 유지하는 데 그 이유는 양성자의 수와 전자의 수가 정확히 같기 때문입니다.
자연계에서 발견된 원자에 종류는 모두 92가지입니다. 그러한 원자의 종류는 양성자의 숫자에 따라 결정됩니다. 예를 들어 양성자가 한 개면 수소, 두 개면 헬륨, 세 개면 리튬, 여섯 개면 탄소, 이런식으로 우라늄까지 나아갑니다. 이 양성자의 수가 바로 화학식에서 말하는 원소번호이죠. 양성자의 수가 원자의 종류를 결정한다면 전자는 원자의 화학적인 성질을 결정합니다. 금의 광택, 철의 차디찬 감촉, 다이아몬드의 결정구조는 모두 전자의 상태에 의해 정해집니다.
치즈가 말랑말랑한 이유도, 그 말랑한 치즈를 씹는 이빨이 딱딱한 이유도 모두 전자의 상태에 따른 것입니다. 원자의 기준에서 보면 우리의 몸은 10의 28제곱 개 정도의 원자가 다양한 형태로 결합된 혼합물입니다. 지구도 풍부한 원자의 혼합물이며 주로 규소, 산소, 알루미늄, 마그네슘, 철로 되어 있습니다 결국 지구상에 존재하는 모든 생명과 물체 그리고 우주의 만물은 양성자, 중성자, 전자의 각기 다른 결합방식의 결과인 셈입니다.
그렇다면 이러한 원자들은 어디에서 왔고 어떻게 만들어졌을까요? 원자를 생성하기 위한 특별한 힘과 조건을 한번 알아보겠습니다. 마이너스는 마이너스를 밀어내고 플러스는 플러스를 밀어냅니다. 네, 우리가 잘 알고 있는 전자기력이죠. 전자기력에 의해 전자는 전자를 밀어냅니다. 우리의 엉덩이가 의자에 빠져 버리지 않는 이유가 바로 전자 끼리 서로 밀어내는 힘 때문입니다. 그런데 양성자로 이루어진 원자핵은 서로 흩어지지 않고 뭉쳐 있습니다.
그 이유는 자연계의 또 다른 힘인 강한 핵력이 원자핵에 작용하기 때문입니다. 강한 핵력, 혹은 강력은 양성자와 중성자가 아주 가까이에 있을 때만 작용합니다. 그러니까 원자를 만들기 위해선 전자기력 의 반발력을 이겨낼 정도로 입자들을 아주 가깝게 접근시켜 강력이 작용하도록 해야 합니다.
이런 경우는 천만 도 이상의 초고온과 고밀도에서만 가능합니다. 온도와 압력이 아주 높을 때는 입자가 빠른 속도로 움직이기 때문에 전기적인 반발력이 작용할 틈이 없기 때문입니다. 자연계에서 이러한 초고온과 초고압은 오직 별에 내부에서만 존재합니다. 그러니까 밤하늘에 떠있는 별들이 바로 원자를 생산하는 공장인 셈입니다. 별들의 생산 공정을 한번 알아보겠습니다. 지구에서 제일 가까운 별은 태양 입니다.
태양의 표면 온도는 6000도에 불과하지만 내부의 온도는 1300만 도에 달합니다. 태양 내부의 뜨거운 용광로에서는 매초마다 7억 톤의 수소가 헬륨으로 전환되는 핵융합반응이 일어납니다. 두 개의 수소핵이 결합하여 중수소핵 한 개가 만들어지고 중수소핵과 수소핵이 결합하여 삼중수소가 됩니다.
그리고 삼중수소 두 개가 결합해 헬륨 한 개가 만들어집니다. 이 과정에서 감마선의 광자가 발생하는데 이 광자가 바로 우리가 매일 보는 태양빛이 됩니다. 태양 빛은 우리가 생각했던 것보다 훨씬 길고 힘겨운 여행 끝에 우주공간으로 방출됩니다. 광자가 태양 내부의 높은 밀도와 거대한 중력을 뚫고 태양 표면으로 올라와 가시광선으로 변하기까지는 무려 수만 년에서 수십만 년이 걸립니다. 우리 눈에 들어오는 태양빛은 정말 나이가 아주 많은 빛들입니다. 태양에는 헬륨보다 더 무거운 원자들도 있지만 그 양은 미미합니다.
무거운 원자들은 주로 태양보다 더 큰 별에서 왕성하게 만들어집니다. 내부 온도 수십억 도에 달하는 거대한 별에서는 헬륨의 원자핵이 다시 추가되어 네온, 마그네슘, 규소, 유황 등이 생산됩니다. 철은 몇 단계의 핵융합 과정을 더 거친 뒤 만들어지거나 규소의 직접적인 핵융합반응으로도 만들어집니다.
더 큰 별에서는 금이나 우라늄 같은 더 무거운 물질이 만들어집니다. 별은 진정으로 자연의 연금술사입니다. 그러나 거대한 연금술사는 수명이 짧습니다. 태양과 같은 종류의 별은 100에서 200억 년 동안 빛을 내지만 태양보다 질량이 60배나 큰 별은 수명이 4백만 년에도 못 미칩니다. 용광로가 클수록 핵융합반응 속도도 빠르기 때문에 원료를 그만큼 빨리 소진하기 때문입니다. 원료를 소진한 거대한 별은 블랙홀이 되거나 초신성이 되어 폭발합니다.
초신성은 자신이 만들어낸 물질을 격렬하게 우주공간으로 분출시키면서 최후를 맞이합니다. 어마어마한 양의 탄소, 규소, 우라늄 등의 원자가 성간 가스가 되고 구름이 되어 다음 세대의 항성과 행성의 재료가 됩니다. 우리 태양도 그런 초기 우주의 재료로 만들어진 2세대나 3세대의 별에 해당합니다.
지구에는 금과 우라늄처럼 무거운 원소가 비교적 풍부하게 있는데 그것은 태양계가 생기기 직전에 가까운 데서 수많은 초신성이 폭발했다는 증거입니다. 그렇게 생각하니 별에도 부모가 있는 셈입니다. 인간의 어머니도 아기를 낳을때 죽는 경우가 있듯이 별의 부모도 아기별을 낳을 때 죽는 것입니다. 태양과 같은 별은 오리온 성운처럼 복잡하게 압축된 구름 속에서 떼를 지어 탄생합니다. 부모를 잃은 아기별들은 은하계 속에서 자신의 운명을 스스로 개척해 나갑니다.
청년기의 별 주변에는 아직 밝게 빛나는 성운의 찌꺼기가 마치 태반처럼 인력에 끌려 떨어지지 않고 있습니다. 어른이 된 별은 자신의 행성 식구들을 오랫동안 비춰줍니다. 그리고 수명을 다한 뒤 자신의 부모가 그랬던 것처럼 아기별의 씨앗이 되기 위해 폭발하거나 홀로 쓸쓸한 죽음을 맞이합니다.
은하계 어딘가에는 같은 구름 속에서 태어난 태양의 형제자매 별이 수십 개는 있을 것입니다. 우리는 어느 별이 태양의 형제자매인지 모릅니다. 우리는 그저 그들이 태양계 저 편에 있다는 사실만 알고 있습니다. 그리고 우리 몸속 원자들 일부는 그들과 같은 때에 만들어졌다는 사실도 알고 있습니다.
이빨에 있는 칼슘, 혈액 속에 있는 철분, 우리 몸을 구성하는 탄소, DNA 속에 있는 질소는 은하계 저 편에도 흩뿌려져 있는 것입니다. 원자의 기준으로 보면 우리 모두는 별의 자손이며 우주의 역사입니다. 시청해주셔서 감사합니다. 오늘 영상은 칼 세이건의 책 코스모스를 참고해서 만들었습니다. 별처럼 오래된 책 같지만 그 속에 있는 내용은 원자처럼 생생하게 살아있네요. 지금까지 북툰이었습니다.
이상으로 우리가 별의 자손인 이유 포스팅 마칩니다.