태양

태양계를 영어로는 솔라 시스템solar system이라고 한다. 여기서 시스템은 계系를 뜻하는 명사로 공통된 방식으로 작동하는 가운데 서로 관계를 맺고 있다고 간주되는 요소들의 집합을 가리킨다.  태양계는 태양과 태양의 중력에 영향력을 받는 모든 물체들의 집합을 가리킨다. 여기서 말하는 물체들에는 행성, 행성의 위성, 소행성, 혜성, 이 천체들 사이에서 거의 곳곳에 존재하는 각종 기체, 먼지, 파편 등이 포함된다. 고대 철학자들은 천공에 떠 있는 수 많은 별들이 움직임을 보인다는 사실을 깨달았다. 단 시간을 기준으로 했을 때는 움직이지 않는 것처럼 보이지만, 밤이 되면 해가 뜨는 동쪽에서 해가 지는 서쪽으로 일정거리를 이동했기 때문이다.  그러나 몇몇 빛은 그 같은 운행을 하지 않았다.  태양, 달 그리고 다른 빛들과 잘 구별되지 않는 5개의 작은 빛이 그것이다. 5개의 빛은 떠돌아다니는 것처럼 보였고, 그리스인들은 그 천체들을 '행성'이라고 명명했다.

 

우리는 태양이 행성이 아니라 항성이라는 것을 안다. 항성은 기체가 고밀도로 뭉쳐서 정역학적 평형(유체정역학은 유체역학의 한 분야로 정지상태에 있는 유체를 연구하는 학문이다. 유체정역학적 평형은 압력경사도 즉 유체의 두 지점 사이의 압력차에 의한 힘과 중력이 평형을 이루는 상태를 말한다. 우주에서는 위 아래 옆 같은 것이 없기 때문에 중력이 모든 방향으로 동일하게 작용한다. 그래서 천체가 정역학적 평형상태에 있을 때 그 천체의 중력은 천체를 공 모양으로 만든다 )을 이루면서 그 중심에서는 열핵융합으로 원소들이 결합되고 있는 불투명한 가스 덩어리를 말한다. 항성은 경계가 뚜렷하며 그런 점에서 기체가 거대한 구름처럼 흩어져 있는 성운 같은 것과 대조된다. '불투명한'이라고 말하는 한 부분, 이렇게 말하는 것은 어떤 전자기 복사도 항성을 통과해서 지나갈 수 없고 적외선, 자외선, 마이크로파 등 어떤 전자기파로도 항성을 가로질러 볼 수 없기 때문이다.  정역학적 평형을 이룬다는 것은 질량이 충분히 커서 자체중력으로 그 형태를 유지할 수 있는 동시에 다른 힘이 중력과 균형을 이루어 스스로 붕괴되지 않는 상태라는 뜻이다. 태양은 평범한 항성이다. 태양의 지름이 지구지름의 100배가 넘는다. 태양의 표면온도는 약5500C정도 이다.  중심부에는 1500만도에 달한다.  중심부가 높은 이유는 태양 자체의 중력에 따른 어마어마한 압력 때문이다.

 

19세기 러시아 과학자 멘델레예프가 지적한 내용,  즉 리튬과 베릴륨, 붕소라는 세가지 예외를 제외하면 가벼운 원소일수록 우주에 많이 존재한다.  분석에 따르면 태양은 주로 수소92.1%와 헬륨 7.8%로 이루어져 있으며, 그 외 산소, 탄소 등의 미량의 원소들을 가지고 있다. 태양은 자연에 풍부한 가벼운 원소들로만 이루어져 있는 것이다. 조지 가모프는 우주에 존재하는 모든 물질이 빅뱅의 순간에 생겼다는 생각을  1942년에 처음 내놓은 인물이다. 그는 우주의 여러 원소들이 빅뱅 이후 베타 붕괴로 인해서 중성자들이 결집하면서 만들어졌다는 주장을 내놓았다. 베타붕괴란 중성자가 양성자와 전자로 분해되는 방사성 붕괴의 한 중류로 약한 상호작용에 의한 현상이다.

 

독일계 미국인 천체물리학자 한스 베테는 항성의 수소가 어떻게 헬륨으로 변환될 수 있는지를 분석했다. 베테 설명에 따르면 맨 처음 항성에는 수소 덩어리가 존재한다.  이 수소 덩어리는 자체 질량 때문에 중력의 작용으로 수축하게 되는데 수축을 하면 수소의 압력이 높아지고, 이와 더불어 온도도 올라간다.  그 온도가 1000만도를 넘기면, 수소의 원자핵은 이른바 쿨롱 장벽을 뛰어넘기에 충분한 에너지를 갖게 된다. 쿨롱 법칙에 따라 두 전하는 같은 부호끼리는 서로 밀어낸다. 이 에너지보다 큰 힘을 가하면 같은 부호의 전하들도 서로 달라붙게 만들 수 있다. 항성에서 그런 일이 벌어진다. 그래서 양성자 두 개가 서로 달라붙을 경우 변환과정을 거쳐 원자핵에 양성자와 중성자가 각각 두 개씩 있는 핼륨이 최종적 으로 만들어진다.  이 같은 융합반응은 엄청난 양의 에너지를 항성 내부에서부터 외부로 방출하는데 그 에너지에 따른 힘이 중력과 균형을 이루게 된다. 그 결과 '항성'은 최초로 평형상태에 이르면서 항성이라는 이름에 걸맞는 모습을 가지게 되는 것이다.

 

항성은 수소를 헬륨으로 변환시켜 엄청난 에너지를 만들고 사방의 공간으로 그 에너지를 복사하면서 평형상태를 유지한다.  수소는 빅뱅 때 만들어졌다. 항성이 충분히 크면, 태양 질량의 3분의 1이상이면 항성은 다시 수축하는데, 그 결과 항성 내부에 있는 헬륨은 압력이 높아지면서 온도도 올라간다. 온도가 약 1억도에 이르면 이번에는 헬륨이 융합반응을 일으키기에 충분한 에너지를 가지게 되면서 더 무거운 원자에 이르는 변환 과정에 들어간다. 탄소와 산소가 만들어지는 것이다. 이 융합에서 생긴 에너지는 또 한번 중력과 균형을 이루고 두 번째 평형 상태에 놓인다.  태양은 두 번째 평형상태가 마지막이 될 것이다.  그 이후 과정이 일어날 수 있을 만큼 크지 않기 때문이다. 탄소와 산소를 압축하여 온도를 10억도까지 올리면 탄소가 융합반응으로 네온, 나트륨, 마그네슘을 만들며 다시 평형상태에 들어간다. 질량이 태양의 25배가 되는 항성의 경우 이 평형상태는 200년 정도 지속된다.  온도가 30억도에 이르면 규소의 융합이 시작된다. 그렇게 해서 항성의 일생에서 마지막에 해당하는 몇 시간 동안 철에 이르는 모든 원소가 만들어진다. 철은 모든 원소중에서 가장 안정적인 원소다.

 

융합에 쓸 연료가 더는 남아 있지 않게 된 항성은 철로 이루어진 중심부로 빠르게 붕괴하는 '내향성 폭발'을 일으킨다. 중력의 압력이 항성의 모든 물질을 원자핵 하나만큼의 밀도에 이르도록 수축시키는 것이다. 내향성 폭발중인 항성에는 아무것도 접근할 수 없으며, 폭발이 일어나면 항성을 중심부에서부터 바깥을 쓸고 지나가는 충격파가 발생하는데 항성의 표면층에 남아있는 물질들은 그 충격파가 지나가는 도중에 잠깐 융합반응을 일으킨다. 그 짧은 시간 동안 양성자와 중성자들이 빠르게 결합하면서 철보다 무거운 모든 원소들이 합성되는 것이다.  또한 폭발에 따른 수많은 충돌은 엄청난 에너지를 방출하면서 새로운 충격파를 유발하며, 항성을 초신성으로 바꾸어놓는다.  수십억 년에 걸쳐 만들어진 항성의 물질이 이제 사방의 우주공간 으로 흩어진다. 폭발이 일어나고 남은 천체의 중심부는 밀도가 매우 높아서 전자들이 그 가까이를 지나가면, 중심핵 으로 빨려들어가 양성자를 중성자로 바꾸게 된다. 이 변환 과정으로 천체는 매우 특이한 전파를 내놓는 중성자별 혹은 펄서pulsar가 되는 데 중심부가 수천킬로미터에 불과한 이 천체는 아주 빠르고 규칙적인 자전을 한다. 우리가 숨쉬고 있는 공기를 이루는 모든 것들은 항성들이 죽어가면서 남긴 유산들이다. 우리는 모두 별의 먼지에 지나지 않는 것이다.