원소의 탄생: 우리 모두는 우주먼지다.

이 우주에는 미시 세계와 거시 세계가 있다. 미시 세계는 우리의 눈으로는 볼 수 없는 원자나 분자와 같은 아주 작은 세계를 말하고 거시 세계는 광활한 우주 세계를 의미한다. 그런데 한 가지 놀라운 사실이 있다. 서로 전혀 다를 것 같은 이 두 세계가 알고 보면 서로 밀접한 관련을 맺고 있다는 것이다. 우리 인간은 이 두 세계, 즉 미시와 거시의 중간세계에 존재한다. 이 두 세계의 연관성을 다루는 학문이 바로 내가 연구하는 분야인 핵천체물리학이다.

우선 ;미시 ;세계를 ;들여다보자. ;이른바 ;핵 ;연소 ;과정에서는 ;핵들간의 ;융합반응을 ;통해 ;에너지가 ;발생한다. ;별이 ;빛나고 ;태양이 ;밝은 ;것도 ;바로 ;이 ;때문이다. ;일반적으로 ;핵 ;연소는 ;화학물질의 ;연소와는 ;다르게 ;원자핵의 ;연소를 ;통해서 ;에너지를 ;생성한다. ;핵 ;연소 ;시에 ;발출되는 ;에너지의 ;양은 ;그것이 ;연소건 ;폭발이건 ;일반 ;화학반응에 ;의해서 ;연소될 ;때보다 ;100만 ;배나 ;크다. ;수십 ;킬로그램의 ;우라늄으로 ;제조된 ;원자폭탄 ;하나로 ;도시 ;전체를 ;잿더미로 ;만들 ;수 ;있는 ;반면, ;그와 ;똑같은 ;양의 ;화학연료로는 ;기껏해야 ;아름답게 ;보이는 ;불을 ;한번 ;피울 ;수 ;있다. ;태양에서는 ;핵 ;연소가 ;진행될 ;때 ;초당 ;5억 ;8,400만톤의 ;수소가 ;헬륨으로 ;연소되고 ;지구의 ;생명체에 ;필요한 ;에너지가 ;생성된다.

다음으로 ;보다 ;흥미롭고 ;환상적인 ;거시 ;세계를 ;살펴보자. ;별에서는 ;우주에서 ;생명을 ;가능하게 ;해주는 ;원소들이 ;만들어졌고 ;또 ;지금도 ;계속 ;만들어지고 ;있다. ;이렇듯 ;우리 ;인간과 ;우주는 ;인간의 ;상상력을 ;통해서만 ;서로 ;연결되어 ;있는 ;것이 ;아니라 ;실제로도 ;우리의 ;환경과 ;우리들 ;자신을 ;구성하는 ;원소들을 ;통해 ;서로 ;긴밀하게 ;연결되어 ;있는 ;것이다. ;별의 ;내부에서 ;생성되는 ;이 ;원소들이야말로 ;지구와 ;같은 ;행성뿐만 ;아니라 ;모든 ;생명체의 ;근간이 ;되는 ;구성요소이다. ;만약 ;별 ;안에서 ;원소들이 ;만들어지지 ;않았다면 ;우주는 ;빅뱅 ;때 ;생겨난 ;수소와 ;헬륨가스로 ;이루어진 ;한낱 ;가스구름에 ;지나지 ;않았을 ;것이다. ;별은 ;어떻게 ;보면 ;뜨거운 ;내부에서 ;화학원소들이 ;섞여서 ;만들어지는 ;일종의 ;마법의 ;부엌과도 ;같은 ;곳이다.

우리 ;몸의 ;각종 ;장기와 ;조직 ;속에 ;있는 ;탄소, ;뼈 ;안에 ;있는 ;칼슘, ;피에 ;들어 ;있는 ;철분, ;몸의 ;수분 ;속에 ;있는 ;산소 ;등과 ;같이 ;우리가생명을 ;유지하는 ;데 ;필수적인 ;원소들은 ;모두 ;별에서 ;만들어졌다. ;우리는 ;모두 ;결국 ;아주 ;오래된 ;과거 ;별의 ;유산이자 ;자손인 ;셈이다. ;만일 ;당신이 ;사랑하는 ;사람에게 ;다가가 ;“당신은 ;나의 ;별이오!"라고 ;말한다면 ;그것은 ;아주 ;적절한 ;표현이다. ;왜냐하면 ;우리는 ;실제로 ;모두별들의 ;먼지로 ;구성되어 ;있는 ;존재이기 ;때문이다. ;우리의 ;우주관을결정적으로 ;바꾼 ;많은 ;새로운 ;발견들 ;중에서 ;가장 ;돋보이는 ;것으로는 ;단연 ;생명과 ;현대 ;물리학의 ;연관성, ;그리고 ;우주의 ;생성과 ;발전에관한 ;지식들을 ;꼽을 ;수 ;있다.

빅뱅과 ;우주, ;그리고 ;별의 ;내부에서 ;원소가 ;만들어지는 ;과정을이해하기 ;위해서는 ;우선 ;원자핵을 ;알아야 ;한다. ;이해를 ;돕기 ;위해 ;여기서는 ;핵물리학에서 ;다루는 ;중요한 ;내용들을 ;정리해보았다.

1. ;원자핵은 ;원자의 ;중앙에 ;있으며 ;양전하를 ;띠는 ;양성자와 ;전하를 ;띠지 ;않는 ;중성자로 ;이루어졌고 ;음전하를 ;띠는 ;전자가 ;그주위를 ;돌고 ;있다.

2. ;원자핵 ;속에 ;있는 ;양성자의 ;수와 ;원자껍질에 ;있는 ;전자의 ;수가 ;원소를 ;결정한다. ;수소는 ;양성자 ;하나로 ;이루어져 ;있고, ;헬륨은 ;양성자 ;2개, ;리튬은 ;양성자 ;3개, ;베릴륨은 ;4개, ;붕소는 ;5개, ;탄소는 ;6개, ;질소는 ;7개, ;산소는 ;8개로 ;이루어져 ;있다. ;그리고 ;가장 ;무거운 ;원소인 ;우라늄은 ;원자핵 ;속에 ;92개의 ;양성자가 ;들어 ;있다.

3. ;양성자와 ;중성자의 ;질량이 ;전자 ;질량의 ;2,000배쯤 ;되기 ;때문에 ;원자핵은 ;원자 ;질량의 ;대부분을 ;차지한다.

4. ;핵반응을 ;통해서 ;원자핵은 ;다른 ;원자핵으로 ;변한다.

5. ;핵반응에는 ;핵융합과 ;핵분열의 ;두 ;가지 ;유형이 ;있다. ;핵융합은 ;원자핵의 ;연소를 ;통해서 ;새로운 ;핵이 ;만들어지는 ;것을, ;핵분열은 ;원자핵이 ;두 ;개의 ;새로운 ;원자핵으로 ;쪼개지는 ;것을 ;말한다.

6. ;핵융합과 ;핵분열 ;과정에서 ;공히 ;에너지가 ;방출된다. ;이는 ;원자로 ;변환되기 ;때문이다.

7. ;핵반응은 ;두 ;개의 ;원자핵이 ;충돌하면서 ;다른 ;원자핵으로 ;변하는 ;과정이다. ;이러한 ;핵반응은 ;별의 ;내부나 ;빅뱅에서처럼 ;높은 ;온도와 ;밀도에서 ;일어난다.

핵물리학과 ;천체물리학을 ;통합한 ;학문인 ;핵천체물리학의 ;주요 ;연구 ;대상은 ;핵 ;합성(Nucleosynthesis)이다. ;핵 ;합성은 ;자연에 ;존재하는 ;원소들이 ;빅뱅이나 ;우주 ;또는 ;별에서 ;생성되는 ;현상을 ;말한다.

여기서 ;제기되는 ;질문은 ;어떤 ;원소들이 ;왜 ;다른 ;원소들보다 ;더 ;많은가 ;하는 ;문제다. ;우선 ;지구를 ;보면 ;지구의 ;핵은 ;주로 ;철로 ;이루어져 ;있고 ;지각은 ;산소, ;규소, ;그리고 ;알루미늄으로 ;이루어져 ;있다. ;지구의 ;대기는 ;주로 ;질소와 ;산소로 ;구성되어 ;있다. ;하지만 ;인간의 ;몸은 ;전혀 ;다르게 ;구성되어 ;있다. ;우리의 ;몸은 ;물의 ;형태로 ;존재하는 ;수소와 ;산소, ;그리고 ;탄소와 ;질소로 ;이루어졌다. ;인간의 ;몸은 ;거의 ;70퍼센트가 ;물로 ;이루어졌기 ;때문에 ;사실 ;물 ;덩어리이다. ;그러나 ;우주를 ;바라보면 ;지구상의 ;이러한 ;원소들의 ;분포가 ;극도로 ;비전형적임을 ;알게 ;된다. ;우주에는 ;전적으로 ;수소와 ;헬륨이 ;지배적이다. ;예를 ;들어서 ;이 ;우주에 ;존재하는 ;1,000개의 ;원자들 ;중에서 ;평균적으로 ;900개는 ;수소원자이고 ;99개는 ;헬륨원자다. ;1,000개의 ;원자들 ;중에서 ;오직 ;1개의 ;원자가 ;수소나 ;헬륨원자가 ;아닌 ;다른 ;원자인 ;셈이다. ;여기서 ;한 ;가지 ;놀라운 ;사실은 ;지구와 ;생명의 ;생성에 ;필수적인 ;대부분의 ;원소들이 ;정작 ;우주에서는 ;아주 ;미미한 ;존재라는 ;것이다.

우주에서 ;가장 ;가벼운 ;원소들인 ;수소와 ;헬륨, ;그리고 ;리튬은 ;우주가 ;탄생한 ;직후에 ;생성되었다. ;이 ;원소들은 ;우주가 ;탄생한 ;최초의 ;3분 ;동안에 ;아주 ;뜨겁고 ;밀도가 ;높은 ;상태에서 ;만들어졌다. ;빅뱅이 ;일어날 ;때 ;만들어진 ;이들 ;가장 ;가벼운 ;원소들의 ;평균 ;빈도를 ;계산한 ;결과 ;특히 ;헬륨과 ;수소의 ;비는 ;실제 ;관찰 ;결과와 ;놀랍도록 ;일치한다. ;이러한 ;일치는 ;앞서 ;설명한 ;은하탈주, ;그리고 ;우주배경복사에 ;이은 ;제3의 ;증거로서 ;빅뱅이 ;실제로 ;있었다는 ;사실을 ;말해준다. ;하지만 ;우주의 ;팽창으로 ;인해 ;빅뱅 ;때의 ;밀도와 ;온도가 ;급격하게 ;줄어들면서 ;무거운 ;원소들은 ;만들어지지 ;못했다.

우주에 ;있는 ;가스와 ;먼지구름에서도 ;이른바 ;우주선(宇宙線, ;cosmic ;rays)에 ;의한 ;융단폭격으로 ;가벼운 ;원소들이 ;생성된다. ;우주선이란 ;별과 ;별 ;사이에 ;존재하는 ;아주 ;높은 ;에너지의 ;원자핵을 ;의미한다. ;이러한 ;우주선이 ;어디서 ;왔고 ;그리고 ;어떻게 ;그런 ;큰 ;에너지로 ;가속되는지를 ;설명할 ;수 ;있는 ;이론은 ;아직 ;없다. ;아마도 ;우주선은 ;별의 ;폭발에서 ;비롯되는 ;것으로 ;추정된다. ;우주선을 ;구성하는 ;원자핵들은 ;우주 ;공간에서 ;가스와 ;먼지구름의 ;원자핵들과 ;충돌한다. ;이때원자핵들이 ;쪼개지면서 ;리튬, ;베릴륨, ;붕소와 ;같은 ;가벼운 ;원소들이생성된다.

이러한 ;가장 ;가벼운 ;다섯 ;원소들 ;외에 ;다른 ;모든 ;원소들은 ;별이라는 ;용광로에서 ;생성된다. ;탄소, ;산소, ;규소, ;철, ;금, ;백금, ;납, ;우라늄등과 ;같은 ;자연에 ;존재하는 ;90개의 ;원소들이 ;여기에 ;속한다. ;별의 ;마지막 ;단계에서는 ;이렇게 ;형성된 ;원소들이 ;별에 ;의해서 ;생성된 ;열풍으로 ;인해 ;우주로 ;보내지거나 ;강력한 ;폭발로 ;멀리 ;팽개쳐진다. ;별들은이런 ;방식으로 ;우주에 ;있는 ;구름들에 ;별들 ;내부에서 ;형성된 ;원소들을 ;축적시켰다. ;별은 ;근처에 ;있는 ;가스와 ;먼지구름을 ;자기가 ;만든 ;원소들로 ;더럽히기' ;때문에 ;그야말로 ;'환경 ;오염자'라고 ;말할 ;수 ;있다.현대 ;천체물리학에서는 ;우리 ;태양이 ;행성과 ;함께 ;약 ;45억 ;년 ;전에가스와 ;먼지구름에서 ;탄생했다고 ;보고 ;있는데, ;이 ;구름 ;속에는 ;핵 ;연소의 ;결과로 ;별의 ;이전 ;세대에 ;이미 ;생성된 ;무거운 ;원소들이 ;포함되어 ;있었다. ;결국 ;이 ;원소들로부터 ;우주의 ;한 ;특별한 ;장소인 ;지구에서생명이 ;탄생하게 ;되었다.

별의 ;기나긴 ;일생 ;: ;원시성에서 ;초신성까지 ;하늘에 ;떠 ;있는 ;태양이나 ;별들을 ;관찰하면 ;마치 ;그것들은 ;전혀변하지 ;않고 ;영원히 ;존재할 ;것처럼 ;보인다. ;하지만 ;실제로는 ;그것들도 ;우리 ;인간이나 ;지구상의 ;생명체들처럼 ;태어나서 ;어느 ;기간 ;동안 ;살다가 ;결국에는 ;죽음을 ;맞이한다. ;물론 ;별들의 ;수명은 ;생명체의 ;수명과는 ;비교할 ;수 ;없을 ;만큼 ;길다. ;별은 ;크기에 ;따라 ;짧게는 ;수백만 ;년에서 ;길게는 ;수십억 ;년 ;동안 ;산다. ;질량이 ;큰 ;별들은 ;핵 ;연소를 ;위한원료를 ;몇 ;배나 ;더 ;빨리 ;소모하기 ;때문에 ;더 ;밝게 ;빛난다. ;따라서 ;그런 ;별들은 ;수백 ;년 ;안으로 ;비교적 ;짧게 ;생을 ;마감하게 ;된다. ;반면에질량이 ;작은 ;별들은 ;수십억 ;년을 ;산다. ;태양 ;질량의 ;8퍼센트 ;이하의별들은 ;중앙의 ;온도와 ;밀도가 ;매우 ;낮아서 ;핵 ;연소가 ;일어나지 ;않는다. ;이렇게 ;아주 ;희미하게 ;빛을 ;내는 ;작은 ;별들을 ;'갈색왜성'이라 ;부른다. ;태양 ;질량의 ;100배 ;이상이 ;되는 ;별은 ;드물다.