별은 어떻게 스스로 빛을 낼까?

별은 어떻게 스스로 빛을 낼까?

별은 어떻게 스스로 빛을 낼까?

이와 같이 현대 빅뱅 우주론은 지구와 지구를 구성하는 모든 원소, 그리고 인간을 포함한 모든 생명체들을 구성하는 물질들이, 우주 시간의 역사를 통해서 탄생하고 사멸해 간 수많은 별들의 내부에서 핵융합으로 생겨났다는 놀라운 사실을 알려주고 있습니다. 자 그런데, 이러한 사실은 별이 왜 빛나는가 이 질문에 대한 근원적인 호기심. 이 호기심에 대한 인간의 과학적 노력의 결과로 알게 된 것들입니다. 이제 별을 빛나게 하는 그 에너지 원은 무엇인가? 그리고 별은 어떤 일생을 보내는가? 일생을 마친 별의 최후는 어떠한가에 대해 조금 더 구체적으로 알아보도록 하겠습니다. 우리가 밤하늘을 살펴보면, 온통 빛나는 별들의 천지입니다. 그런데, 사실상 그 빛나는 별들이 모두 진짜 별 그 자체는 아닙니다. 우리는 스스로 빛을 내는 별, 그러한 별을 진짜 별이라고 부릅니다. 태양은 진짜 별입니다. 스스로 빛을 내기 때문이지요. 이런 별들을 한자어로는 항성이라고 부릅니다. 그런데, 스스로 빛을 내지는 않지만, 밝게 빛나는 밤하늘의 별들이 또 있습니다. 수성, 금성, 화성, 목성, 토성 등 태양계 행성들은 사실상 자기 스스로 빛을 내지 않지요. 다만, 태양의 빛을 받아 반사하고 있을 뿐입니다. 그렇지만, 진짜 별들, 즉 스스로 빛나는 별과는 달리 우리에게 가까이 있기 때문에 오히려 진짜 별들보다 밝게 보입니다. 소행성, 혜성과 같은 천체들도 마찬가지로 스스로 빛을 발산하는 천체는 아닙니다. 그럼 진짜 별, 항성은 어떻게 스스로 빛을 내는가에 대해 알아보도록 하겠습니다.

별, 항성은 어떻게 스스로 빛을 내는가?

그 핵심 원리는 핵융합 반응입니다. 상상 속 실험을 한번 해 봅시다. 수천만도 이상의 높은 온도, 지구 대기압의 수천억 배에 해당되는 아주 높은 고압, 이런 고온고압의 상태를 가진 공간을 가정하고, 그 공간에 수소가 가득 차 있다고 생각합시다. 이 정도의 높은 온도와 압력에서는 수소의 핵들이 엄청난 속도를 가지고 서로 충돌하면서 뭉치게 됩니다. 이 과정을 핵융합이라고 합니다. 수소의 핵을 양성자라고 부르는데, 4개의 양성자가 이러한 핵융합 과정을 통해서 뭉치게 되면 하나의 헬륨이라는 원자핵을 만듭니다. 그런데, 이 4개의 수소가 하나의 헬륨으로 바뀌는 핵융합 반응에서 아주 특별한 에너지가 만들어집니다. 핵융합으로 만들어진 헬륨의 질량은 결합한 4개의 수소의 질량과 비교해보면 놀랍게도 전체적으로 0. 7% 정도 작게 나옵니다. 이 사라진 0. 7% 질량이 아인슈타인의 에너지 방정식 즉 E는 mc제곱 “에너지는 질량에다 빛의 속력의 제곱을 곱한 것과 같다. ”라는 공식에 넣으면 질량이 에너지로 변환되는 것입니다. 이 과정이 바로 우리가 알고 있는 수소폭탄의 원리와 똑같습니다. 별의 내부에는 수천만도 이상의 고온, 수천억 기압 이상의 고압, 그리고 엄청난 수소가 들어 있습니다. 핵융합이 일어날 수 있는 완전한 조건을 갖추고 있는 것입니다. 그리고 이러한 핵융합 과정을 통해서 엄청난 에너지를 생산하여 발산하고 있습니다. 1900년대 초까지 태양과 별들이 내는 빛 에너지의 원천이 과연 무엇인가에 대해서 많은 논란이 제기되었습니다. 당시까지의 물리학적 배경을 바탕으로 제기된 가능성들로는, 거대한 태양의 중력 수축 에너지 또는 방사능 물질들의 붕괴 현상에 의한 에너지 이러한 현상들 이었습니다 거대한 태양이 수축하면 중력 에너지가 빛으로 전환될 수 있습니다. 그런데 이러한 경우 물리학적 계산에 의하면 태양의 수명은 수천만 년을 넘을 수 없다는 결론이 나옵니다. 화석으로 확인되는 지구의 나이는 수십억 년에 해당되는데, 이러한 중력 수축 에너지는 태양빛의, 별빛의 에너지원이 될 수 없다는 것입니다. 태양이나 별 전체가 방사능 붕괴를 하면서 빛 에너지를 낼 수 있다는 주장도 제시된 바 있는데요. 그런데 1925년 페인이라는 천문학자가 태양을 구성하는 물질의 주성분이 수소라는 사실을 처음으로 확인하는 연구 결과를 발표한 바 있습니다. 이건 뭘 뜻하느냐 하면 태양이 방사능 붕괴 물질들로 구성되어있지 않고 수소로 구성되어있다 라는 것을 말해주는 것입니다. 태양을 구성하는 주성분이 수소다 라는 이러한 페인의 발견은 오히려, 수소 핵융합이 태양 빛 에너지의 주요 원인일 것이라는 가능성을 열어주었습니다. 1900년대 초는 양자 역학, 그리고 상대성 이론이 등장하는 등 물리학 혁명이 일어나던 시대입니다. 이 당시, 별 내부의 수소 핵융합 반응에 대한 연구를 완성시킨 과학자가 베 테라는 물리학자입니다. 베테는 수소가 안정된 헬륨으로 변환되는 핵융합 반응 과정을 처음으로 찾아냈습니다.

별 내부 핵융합 반응 원리

1939년 베테가 제시한 이러한 별 내부에서 일어날 수 있는 핵융합 반응의 원리는 1940년대 들어서 천체물리학자들의 추가 연구가 진행되었고 명확한 사실로 받아들여지게 됩니다. 태양의 경우를 예로 들면. 태양은 핵융합 반응을 통하여 매초당 5억 8천4백만 톤의 수소를 5억 8천만 톤의 헬륨으로 변환하게 됩니다. 나머지 질량 400만 톤의 질량으로부터 에너지가 생기게 됩니다. 이 에너지는 매초 약 1조 개의 수소폭탄이 태양 내부에서 폭발하고 있는 것과 같습니다. 엄청납니다. 태양 전체의 질량을 감안하면, 태양은 이러한 수소 핵융합 과정을 통해서 백억년 정도 빛 에너지를 계속 만들 수 있다는 것으로 확인이 되고 계산이 됩니다. 바로 이러한 연구를 통하여 별과 태양이 왜 빛나는가에 대한 의문을, 핵융합의 원리로 처음으로 확인한 물리학자 베테. 이 베테는 1967년에 노벨 물리학상을 받게 됩니다. 베테가 수소 핵융합의 원리를 성공적으로 제시함으로써, 별의 에너지원 즉 별이 빛나는 이유를 이제 잘 이해할 수 있게 되었습니다. 그런데, 수소와 헬륨 외의 중원소들, 즉, 탄소, 산소, 철과 같은 원소들은 별 내부에서 어떻게 만들어지는가? 이들 원소들이 만들어지는 또 다른 핵융합 과정들 그 자체가 별의 일생과 직접 연관이 있습니다.