[비센의 재미있는 과학 이야기]

 

우주의 역사를 밝히는 천체 물리학, 미지 세계를 탐구하는 인간 노력의 결정체

 

 

“The nitrogen in our DNA, the calcium in our teeth, the iron in our blood, the carbon in our apple pies were made in the interiors of collapsing stars. We are made of starstuff.”<DNA를 구성하고 있는 질소, 치아를 이루고 있는 칼슘, 혈액 속에 있는 철분, 그리고 애플파이에 들어있는 탄소는 모두 붕괴하는 별의 내부에서 만들어졌다. 그러므로 우리 모두는 별의 구성물질에서 비롯되었다고 할 수 있다.>

 

20세기 최고의 천체물리학자로 인정받는 칼 세이건(Carl Segan, 1934-1996)이 그의 저서 ‘코스모스(Cosmos)’에 남긴 유명한 말입니다.

 

이러한 여러 종류의 원자핵들은 칼 세이건이 ‘붕괴하는 별’이라고 표현했듯이 별의 일생 중 마지막 10% 정도에서 대부분 생성됩니다. 별, 즉 항성(Star)은 가장 쉽게 '매우 뜨거운 난로'라고 생각하시면 됩니다.

 

이 난로에서 사용하는 연료는 대부분 가장 가벼운 원자인 수소(hydrogen)입니다. 일반적인 별은 대부분이 수소 가스로 이루어져 있고, 중심부에 그보다 무거운 원자들이 몰려있는 형태를 갖고 있으며 주변부의 수소들이 중력에 의해 중심부로 수축해 들어가려는 움직임을 갖습니다.

 

다른 현상이 전혀 없이 중력만이 존재한다면 끝없이 중심으로 수축하여 그리 길지 않은 시간 안에 모든 별들은 블랙홀이 되어 버릴 것입니다. 하지만, 이렇게 중심부로 끌려들어간 수소들은 그곳의 높은 온도와 압력하에서 일어나는 핵융합(Nuclear fusion)과정을 통해 헬륨(Helium)으로 변화하고 엄청난 에너지를 밖으로 분출시키며 팽창합니다. 이렇게 중력에 의한 수축과 핵융합에 의한 팽창이 서로 상쇄되어 별은 그 크기를 유지하게 되는 것입니다.

 

이렇게 별은 일생의 약 90%에 해당하는 주계열(Main sequence)이라고 불리는 기간 동안 수소를 주 연료 삼아 핵융합을 통해 에너지를 우주로 방출하며 살아갑니다.

 

물론 오랜 기간 수소를 이용한 핵융합을 계속함으로써, 수소의 양은 줄어들고 상대적으로 중심부에는 헬륨의 양이 축적되어 가면서 중력의 영향과 핵융합의 세기가 지속적으로 변하기 때문에 별의 크기는 일정하게 고정된 것이 아니라 계속 변화하게 되는데, 이는 별 자체의 크기에 따라 조금씩 다르게 진행됩니다.

 

전체 우주의 별들 중 중간 정도 크기에 해당하는 우리의 태양과 비교하여 최소 8배이상 큰 별들의 경우 초신성(supernova)라는 과정을 거치게 됩니다. 수소의 핵융합이 거의 소진되가면서 중력의 영향이 상대적으로 커짐에 따라 별은 중심으로 수축되어 크기도 작아지고, 또 중심부의 엄청난 압력과 온도에 의해 헬륨 이상의 원자들의 핵융합이 가능해 지면서 탄소(carbon, C), 질소(nitrogen, N), 그리고 산소(oxygen, O)등의 원자핵을 만들어 냅니다.

 

이후 산소는 실리콘(silicon, Si)으로, 실리콘은 니켈(nickel, Ni)로 바뀐 후, 니켈은 다시 핵융합을 통해 철(iron, Fe)이 됩니다. 철은 현재 존재하는 원자핵들 중 가장 안정적인 구조를 갖고 있는 원자핵으로 더 이상의 핵융합을 하지 않게 됩니다. 이렇게 무거운 원자핵들이 만들어져 중력의 영향은 더욱 더 커졌는데, 철의 안정성때문에 더 이상의 핵융합에 의한 팽창이 지속되지 않게 되면, 별은 중심부로 극도로 수축하게 되고, 그렇게 축적되는 에너지를 견디지 못하게 되면 중심부가 무너지면서 뉴트리노(neutrino)라는 소립자 등을 외부로 방출하며 폭발하게 되는데, 이 과정이 바로 초신성(supernova)입니다.

 

그 거대한 별이 초신성 폭발을 일으키며 죽음에 이르기까지는 고작 20분정도의 시간밖에 걸리지 않으며, 그 짧은 시간 동안에 엄청난 에너지를 방출하므로, 이 때 방출되는 섬광은 최대 별 하나 밝기에 약 10억배 이상이 되기도 합니다. 하나의 은하에 약 10억~1000억개의 별이 있는 것으로 산출되므로 초신성 폭발시 별 하나에서 작은 은하에서 나오는 빛과 맞먹는 빛이 방출되는 것입니다.

 

이 엄청난 초신성 폭발은 단지 밝은 빛을 방출할 뿐만 아니라 강한 충격파(shock wave)도 방출하는데, 지난 3월 지구를 따라 태양주위를 공전하고 있는 케플러 천제 망원경(Kepler space observatory)을 이용하여 우주를 관측하고 있는 연구팀은 지구로부터 약 12억 광년 떨어진 곳에 위치한 KSN2011d라는 별의 초신성 폭발에서 방출된 충격파를 가시광선 영역에서 처음으로 관측하는 데에 성공했다고 발표했습니다.

 

매우 흥미로운 것은 12억 광년 떨어진 별에서 발생한 충격파라면 그 충격파가 지구까지 도달하는 데에 걸리는 시간이 12억 년이라는 것이므로, KSN2011d라는 별은 무려 약 12억 년전에 죽고 사라진 별이라는 것입니다.

 

과거로부터 온 신호들을 이용하여 미래를 예측하는 학문. 이것이 바로 신기하고 흥미로운 천체 물리학의 진정한 가치가 아닐까 싶습니다. 또한 이 우주를 구성하고 있는 가장 작은 입자가 어떻게 이루어졌는지에 대한 답을 가장 거대한 스케일의 학문인 천제물리학에서 찾을 수 있다는 것이 자연의 모든 법칙들은 일정 부분에 국한된 것이 아니라 작은 것들에서부터 큰 것들까지 모두가 유기적으로 연결되어 있는 것이며 이 모든 것들에 대한 연결된 해답을 찾고자 하는 것이 순수 과학이 세부 분야에 상관없이 공통적으로 지향하고 있는 목표일 것입니다.

 

석준영 비센학원장