코스모스 9장 - 별들의 삶과 죽음

p 431-479

<세상 만물의 근본을 이루는 물질들의 정체>

원자의 핵은 원자 전체의 경우 10만분의 1정도이다.

그러니까 원자는 속이 텅빈 녀석이고, 전자는 그 주위를 떠돌아다니기만 하는 솜털이나 구름 같은 존재다.

그렇게 속이 비었다면 팔꿈치로 책상에 누르면 왜 책상 원자들의 빈틈으로 팔꿈치의 원자들이 들어가서 쑥 빠지지 않는가?

그 까닭은 음전하들 사이에 생기는 강력한 척력(밀어내는 힘) 때문이다. 음 전하끼리는 밀어내기 때문인데

이 전하의 힘이 사라지면 세상 모든 만물이 눈에 보이지도 않을 먼지 부스러기가 된다.

 

원자는 양성자와 중성자로 구성되어 있는데, 그 양성자와 중성자 같은 소립자를 구성하는 것이 쿼크라는 알갱이이다.

커크가 기본 입자인지 더 근본적인 입자가 있는지는 아직 모른다. 현대 과학의 가장 근본 문제이다.

이 세상의 모든 만물은 양성자, 중성자, 전자로 구성되어있다. 양성자와 전자의 수는 항상 일치하고, 그 양성자의 수가 몇개냐인가에 따라 물질의 정체가 결정된다. 예를 들어 수은의 핵에서 양성자 1개와 중성자 3개를 빼면 금이 된다. 이 것이 연금술의 본질이다.

 

원자가 고온의 상태에 놓이면 전자를 잃고 전리된다. 이렇게 전리된 고온의 플라스마가 내는 전자기 파동이 우리에게는

불로 보이는 것이다.

 

양성자, 중성자, 전자의 구성비에 따라서 원자의 종류가 결정되고, 그 원자들이 적당히 모여서 분자들을 생성하고 이 분자들이 조합을 이뤄

지구상의 모든 물질을 만든다. 

핵에 있는  양성자의 개수와 전자 구름을 이루는 전자의 개수가 정확하게 일치한다. 원자의 화학적 성질은 전자의 개수에 따라좌우되는데

원자 번호가 양성자나 전자의 개수이므로 화학은 숫자 놀음이다. 전자와 양성자를하나씩 갖고 있으면 수소, 둘씩이면 헬륨 이런식이다.

원자 번호 92의 우라늄은 양성자와 전자를 각각 아흔두 개 씩 갖는다. 

 

<태양>

우주의 구름이 대규모로 모이면 자체 중력 때문에 전반적인 중심을 향한 낙하 운동이 일어나고, 그 과정에서 분자가 격렬하게 충동해서 내부 온도가 상승한다. 내부 온도가 1000만 도에 이르면 수소 원자 4개와 헬륨 핵이 만나 행융합 반응이 전게 된다. 중심핵에서 출발한 감마선 광자가 그 별의 표면층에 도착하는데 100만년이 걸린다. 최초의 핵융합 반응에서 광자가 표면을 빠져 나오기 시작하면 우리는 비로소 새로 탄생한 별을 보게 된다. 핵융합 반응이 개시되면 내부에서 발생한 바깥을 향한 팽창력 때문에 중력 수축이 멈춘다. 핵 융합의 연료들이 다 소진되고 별들이 자신의 일생을 초신성 폭발로 마감하면 그 먼지로 인해 성간 물질의 밀도가 높아져 또 새로운 별이 된다. 별들도 부모가 있다.

 

지금의 태양도 같이 태어난 15-6개의 별들이 있었고 우주 곳곳에 흩어져 살고 잇다. 어느 별인지 알수는 없지만.

 

태양 내부의 핵융합은 광자 뿐 아니라 중성 미자도 만들어내는데, 중성 미자는 지구나 태양을 구성하는 물질에 흡수되지 않고 유령처럼 통과한다.  대낮에 1초만 태양을 봐도 총 10억개의 중성미자가 우리 눈을 통과한다. 광자와 달리 중성미자는 뒤통수로 빠져나간다. (요약자 주 - 1990년대 말까지 질량이 없다고 생각했으나, 1999년 슈퍼 카미오칸데 실험 이후 여러 실험을 통해 미세하지만, 질량이 있다고 밝혀졌다. 그러나 질량이 너무 작아 아직 직접적으로 질량을 측정하지 못하고 있다.)

아주 아주 아주 드물게 중성미자가 염소 원자를 아르곤 원자로 변환시킨다. 미국에 땅 속에 엄청난 크기의 탱크를 만들고 양복 세탁에 쓰이는 테트라클로로에틸렌을 가득 부어 넣고 실험으르 해 봤다.

 

수십억년 후 태양은 중심부의 수소를 타 태우고 나면 수소의 재인 헬륨으로 다시 핵융합을 해서 태우고 이후 점점 부피가 커져서 적색 거성이 되어 수성과 금성을 집어 삼키고 나중에는 지구도 집어 삼키게 된다. 지구는 이렇 형태로 종말을 맞이한다.

 

<태양의 일생>

은하에는 쌍으로 짝을 이룬 별들이 많은데 하나의 별이 죽어가면서 자신의물질을 쌍둥이 별에게 부어주어서, 다른 별은 새로운 신성으로 태어난다. 

질량이 큰 별들은 초성성 폭발로 생을 마감하고 태양처럼 질량이 작은 별들은 행성상 성운(거품 모양의 속이 전기를 띤 기체로 된 형태)를 거친 후 우주로 흩어진다.

행성상성운 行星狀星雲, Planetary nebula

 

별들 내부에서 핵융합 반응을 걸치면서 각종 물질들이 만들어지는데 네온,마그네슘, 규소, 황, 니켈, 코발트를 걸쳐 최종 철이 융합 반응의 결과물로 형성된다. 그 외 다양한 물질들이 나오는데 원자 수준에서 보면 사람을 이루는 물질도 그런 과정을 통해 형성되었다.

지구의 모든 원소들이 별들이 부린 연금술로 만들어진 것이다. 그러므로 우리는 물질적 관점에서 보면 별의 자녀들이다. 

 

지구의 생명체 또한 태양의 힘에 기대어 살아가고 있다. 농사도 태양 광선을 조직적으로 추수하는 방법이 농업이다.

이 책은 캄프리아기 생물 종의 폭발적 증가가 먼 우주에서 온 우주선(빛과 같은 입자의 바람)과의 상호작용에 다른 결과일 가능성이 크다라고 말한다.

 

<초신성 폭발의 목격>

1054년 중국의 천문학자들이 황소자리에서 별이 갑자기 나타는 것을 기록, 뉴 멕시코 원주민의 벽화에도 등장.

폭발 후 3개월 동안이나 맨눈으로 볼 수 있었다고 함. 낮에도 볼 수있었고 밤이면 그 빛으로 책도 읽을 수 있을 정도.

 

1054년 폭발한 초신성이 남겨 놓은 게 성운, 황소 자리이 있다. 게자리 성운이 아니다.

 

초신성이 폭발하면 태양의 무게에 부피가 30km 정도의 작고 뜨거운 중성자별이 된다. 중성자별을 구성하는 물질은 차 숟가락 하나의 부게가 보통 산의 무게 와 맞먹는다. 그 차 숟가락 떨어뜨리면 지구가 구멍나서 아르헨티나로 튀어오른다.

 

초신성으로 폭발하고 중심부에 남은 중성자별의 질량이 태양의 5배 이상이면 자체 중력 때문에  블랙홀로 변화의 단계를 거친다.

블랙홀은 강한 중력으로 빛도 빨아들이므로 바깥에서 보면 블랙이지만, 블랙홀 안은 휘황하게 밝을 것이다.

우주 여행을 하다 블랙홀을 만나게 되면 자신의 몸이 한없이 길게 실 같이 늘어나는 경험을 할 것이다.

 

태양의 스무배 질량을 가진 별이 도시 하나 크기로 수축되면, 별 자신의 만들어 놓은 시공간의 틈으로 빠져들어가 우주에서 흔적도 없이 사라진다. 중력으로 3차원이 왜곡되면 3차원으로 표현될 수 없는 4차원의 변형되고, 그 곳은 시간이 멈춘 곳이고, 또 다른 차원에서의  점으로 다시 출현하게 된다. 사과에 벌레가 구멍을 만들며 들어갔는데 나올 때는 사과를 먹고 자라 나방이 돼서 빠져 나간다는 가정으로  wormhole이 생기는데, 우주에 3차원의 변형된 이런 wormhole이 있지 않을까하는 생각들을 한다.