별의 원리

별들이 빛나는 이유는 무엇인가 별들은 내부의 핵에서 일어나는 핵융합 떄문에 빛난다. 핵융합은 가벼운 원소를 무거운 것으로 바꾸는데, 이 과정에서 엄청난 양의 에너지를 방출한다. 지구상에서 가장 강력한 핵무기는 핵융합을 통해 만들어졌지만, 이는 태양의 핵융합에 비하면 아주 보잘것없는 양이다. 태양 안에서 핵융합이 일어나지 않았다면, 지금처럼 태양이 빛날 수 있을까? 잠깐 태양은 핵융합 없이도 빛날 수 있다. 처음에 태양은 많은 양의 물질이 중력의 공통 중심으로 떨어지면서 형성되었다. 물질이 압축되어 가스가 밀집된 구형으로 뭉치면서 아주 뜨거워져 열과 빛을 방출했다. 다시 말해 태양은 핵융합이 시작되기 전부터 빛나기 시작했다. 만약 태양 안에서 핵융합이 일어나지 않았다면, 태양의 가스가 붕괴하고 압축되면서 에너지를 생성하기를 계속할 것이며 이런 일은 태양이 한 점으로 축소될 때까지 계속될 것이다. 이러한 방법에 의한 에너지의 생성은, 19세기의 월리엄 톰슨 켈빈 경과 헤르만 폰 헬름홀츠 에 의해 처음 계산되었다. 그 결과는 태양을 현재의 광도로 수백만 년간 빛날 수 있게 한다는 것이다. 그러나 이 에너지는 태양이 46억 년 동안 빛날 만큼 충분하지 않다. 만약 핵융합이 일어나지 않았다면, 태양계는 지구상에 최초의 생명체가 나타나기도 한참 전에 어둠 속에 잠겼을 것이다. 별 속에서 핵융합은 어떻게 일어나는가? 원자핵은 아무렇게나 임의로 결합할 수 없다. 오히려 소수의 특정 핵융합 반응만 일어날 수 있고, 이러한 핵융합조차 매우 극한적인 환경에서 일어난다. 태양의 핵의 온도는 섭씨 1500만 도를 넘고, 압력도 지구 대기압의 1000억 배를 넘는다. 이러한 조건에서 아주 작은, 10억분의 1보다 작은 확률로 주어진 특정 연도에 양성자가 주변의 양성자와 융합하여 중양자를 형성하게 된다. 중양자는 중양자 핵 혹은 중수소 핵 으로도 알려져 있다. 이후 중양자는 또 다른 양성자와 결합하여 헬륨 -3 핵을 만들어낸다. 결국 평균적으로 100만 년 혹은 그 이상의 시간이 지난 후에 두 개의 주변 헬륨 -3 핵이 융합하여 헬륨 -4 핵을 만들어내고 두 개의 양성자를 방출한다. 위와 같은 '양성자-양성자 연쇄반응'이라 부르는 다단계의 연속 반응을 거쳐 수소는 헬륨 -4로 바뀌고, 물질 일부는 에너지로 변환된다. 비록 양성자가 중양자가 되는 것은 매우 어려운 일이지만 태양의 핵 안에는 1조곱하기1조곱하기1조 개가 넘는 양성자가 존재하므로 이러한 반응은 매초 일어난다. 그로 인해 에너지로 변환되는 물질의 양은 초당 약 450만 톤이나 되어 태양을 일정한 크기와 형태를 유지하기에 충분한 압력을 바깥으로 가하는 한편 우주 공간으로 빛을 방출한다. 핵융합의 원리를 처음 설명한 사람은 누구일까? 핵융합 과정을 처음으로 설명한 사람은 한스 알브레이트 베테다. 그는 독일의 슈트라스부르크에서 태어나 영국과 미국에서 공부했으며, 1935년에 코넬 대학의 물리학 교수가 되었다. 그곳에서 그는 양자역학 시스템이 고온에서 어떻게 작용하는지에 대한 이론을 연구한다. 1938년 5월 베테는 태양의 중심에서 핵융합이 어떻게 일어나며, 어떻게 충분한 에너지를 공급하여 태양이 빛나도록 만드는지를 발견하고 그 경과를 발표했다. 이론 핵물리학 분야에서 베테의 업적은 첫 번째 원자 폭탄 개발에 있어 그의 가치를 특별히 드높였다. 그는 제2차 세계대전 기간 동안 맨해튼 프로젝트에 깊이 관여했으며, 뉴멕시코에 위치한 로스앨러모스 국립연구소의 선구적 과학자 중 한 사람이었다. 그는 전쟁이 끝난 후, 별의 물리학과 별 내부에서 일어나는 과정에 대한 선구적인 연구를 이어 나간 공로로 1967년에 물리학 분야에서 노벨상을 받았다. 별 속에는 전류가 흐르고 있을까? 별들이 만들어낸 전류는 사람들이 만들어낸 그 어떤 것보다 강하며, 태양 주위에 자기장을 생성한다. 태양 내부에는 자기장이 존재하고, 태양 바깥의 매우 큰 자기장은 우주 공간으로 수십억 킬로미터까지 뻗쳐 있다. 태양의 복사층에서는 무슨 일이 일어날까? 태양의 중심에서 핵융합으로 인해 생겨나는 에너지는 복사를 통해 바깥으로 이동한다. 다시 말해 광자들은 태양 플라스마를 통과해 나온다. 비록 광자는 빛의 속도로 이동하지만, 별의 플라스마는 밀도가 높아서 광자들은 랜덤워크라 불리는 불규칙한 양상으로 플라스마 입자들과 충돌하고 튕기면서 빠져나온다. 이러한 충동 현상은 매우 극단적이어서, 40만 km의 복사층을 지나오는 데 평균 100만 년이 걸린다. 우주의 진공에서는 빛이 이거리를 진행하는 데 2초도 걸리지 않는다. 별의 광구에서는 무슨 일이 일어나는가? 광구는 가시광선을 통해 태양을 보았을 때 보이는 별의 대기층이다. 이는 종종 별의 표면으로 분류되기도 한다. 이 층은 수백 킬로미터의 두께를 가지며, 입상반이라 불리는 고온 가스로 이루어진 행성 크기의 입자들로 구성되어 있다. 이 가스 입자들은 지속적으로 움직이며, 태양의 내부에서 외부로 열과 빛을 운반하면서 지속적으로 크기와 모양을 바꾸게 된다. 태양 흑점은 강한 자기 활동이 일어난 지역으로, 때때로 광구에 나타나는데 수 시간에서 수 주 동안 지속된다. 별도 핵 복사층 대류층 광구 채층 코로나 등의 층을 가지고 있다고 하지만 이런 층들의 상대적인 두께의 비는 별의 온도와 질량 그리고 나이에 따라 달라진다. 매우 뜨거우면서 어린 별들은 복사층만 있고 대류층이 전혀 없을 수도 있다. 별들 주위의 코로나 역시 별들 주위에 형성되는 자기장의 세기에 따라 크게 달라질 수 있다.