빛나는 별

별이 죽었을 때에 별이 작은 별인지, 큰 별인지가 중요하다. 오직 큰 별만이 무거운 원소 철까지 만들수 있다. 다른 모든 화학 원소는 매우 큰 별이 폭발할 때 생겨난다. 이렇게 폭발하는 별을 초신성이라고 한다. 다른 모든 원소들은 어떻게 만들어졌을까?  우주가 식어가는 것은 물질과 에너지를 분리시켜주고, 지금껏 우리가 본 물질의 형태를 만들기 때문에 매우 중요하다. 그러나 이제 우주의 온도가 올라가기 시작하는 방식에 대해 알아보자. 이 현상은 별의 내부에서 일어난 대단한 일이었다.  별이 우리가 주변에서 발견할 수 있는 다른 모든 원소들을 만든 것은 바로 온도상승 과정을 통해서이다.

 

태양의 표면은 섭씨 5800도이지만, 중심은 1500만도 입니다. 굉장히 높은 온도에서 양성자는 엄청난 에너지를 가진다. 양성자들은 매우 격렬하게 서로 부딪히면 결국에는 융합되어 헬륨핵이 된다.  탄소는 중앙에 6개의 양성자를 가지고 있다. 탄소가 만들어지기 이전의 6개의 양성자가 있다고 해보자.  탄소를 얻으려면 6개의 양성자를 서로 충돌시켜야 하고, 이를 위해 2억도라는 온도가 필요하다. 그러면 철은 어떨까? 철은 26개의 양성자를 가지고 있다. 그래서 철을 얻으려면 26개의 양성자를 서로 충돌시킬 필요가 있고, 이를 위해서는 30억도의 높은 온도가 필요하다. 그렇다면 초기 우주의 어느 곳에서 30억도라는 온도를 찾을 수 있을까? 죽어가는 별 안에서 이다.

 

대부분의 별들이 양성자, 즉 수소핵을 융합시켜 헬륨핵으로 만들면서 대부분의 생애를 보낸다. 그러나 수소를 모두 태워버리면 무슨 일이 일어날까?  별의 중심에 있는 용광로는 별을 지탱하는 일을 그만두게 된다. 중력이 우위를 차지하게 하고 별 전체를 붕괴시킨다. 붕괴가 정말 격렬하게 되면, 중앙의 온도가 매우 높아진다. 그러나 온도가 얼마나 높이 올라갈 것인가는 별이 얼마만큼 큰지, 재료가 얼마나 많은지, 중력이 얼마나 큰지에 따라 다르다.  작은 별은 어떨까?  작은 별은 중앙에 그리 큰 압력이 없고, 낮은 온도로 수십억년 이상 동안 천천히 수소를 태운다. 그래서 작은 별은 매우 길고 느린 생애를 갖는다. 작은 별이 죽을 때에는 결국 연료를 소진하고, 마치 죽어가는 모닥불 처럼 천천히 사그라진다. 큰 별은 중심에서 높은 온도를 만드러 낸다.  큰 별은 더욱 격렬하게 수소를 태운다.  수소가 모두 타버리고 붕괴되면, 큰 별은 2억도에 이르는 더욱 높은 온도를 만들어 낸다.  이 온도는 6개의 양성자가 탄소를 만들어 내는 온도이다.  그러면 큰 별은 헬륨을 태워서 탄소를 만들어 낸다.

 

별이 헬륨을 소진하고 나면 10억도에 근접한 온도에서 탄소를 네온으로 만들어 내는 융합을 시작한다. 그러고 나면 더욱 더 빨라지는 일련의 전 붕괴 과정과 새로운 융합 과정을 통해 네온을 산소로 만드는 융합을, 그후에 산소를 규소로 만드는 융합을 시작한다. 그러고나면 마침내 수십억도에서 규소를 철로 만드는 융합을 시작한다. 그러면 그 과정은 끝에 도달하게 된다. 죽어가는 큰별의 생애에서 마지막 몇백만년의 생애에 대해 체사레 에밀리아나(미국 지질학자)는 다음과 같이 묘사한다. “태양보다 25배나 더 큰 별이 중심에서 수백년 동안 수소를 소진하고, 50만년 동안 헬륨을 태우고 나서, 별의 핵은 계속 수축하고 온도는 계속 올라가서, 600년 동안 탄소를 태우고 6개월 동안  산소를 태우고, 규소를 하루 동안 태운다. 이때 쯤이면 별의 중심에는 다른 종류의 원소들로 층을 이루고 마침내 별의 중심에 철로 가득하게 되고, 융합 더 이상 진행되지 않는다. 그리고 별은 붕괴된다. 별은 외부층을 우주공간으로 퍼뜨리게 되고, 이제 막 생성된 모든 원소들을 별의 주변 공간으로 퍼뜨리게 된다.

 

우리는 원소주기율표에서 철까지 모든 원소들이 어떻게 생성되는지 살펴 보았다. 나머지 원소는 어떻게 생성될까? 나머지 원소들은 죽어가는 별에서 만들어지지 않고, 폭발하는 별에서 만들어진다. 굉장히 큰 별이 중심에 철로 가득차 있을 때 그 별이 붕괴하여 폭발하면, 어마어마하게 높은 온도로 올라가게 된다. 이 폭발을 초신성이라고 부르며, 폭발 이후 몇초 동안 원소 주기율표의 모든 원소들이 초신성 폭발 에서 만들어진다. 별은 매우 밝게 빛나며 높은 온도를 발생시키고, 초신성은 몇주 동안 초신성에 속해 있는 은하 전체보다 빛난다.  이런 초신성이 있었던 곳에서 원소주기율표에 있는 모든 개별원소를 함유한 먼지와 티끌로 이루어진 엄청난 구름이 생기게 된다. 10억 개의 초신성이 터지고, 수십억 년이 지난 후에도 헬륨과 수소는 우주에서 존재하는 원자의 98%를 차지한다. 나머지 원소들을 다 합쳐도 2%밖에 되지 않는다.