목차
이전 글
서론
지난 글에서 빅뱅에 의해 우리 우주가 탄생했다는 것을 알 수 있었습니다. 그렇다면 빅뱅이 일어나자마자 지구를 포함한 태양계가 형성되고 주변 은하가 형성되었을까요? 이에 대해 알아보도록 하겠습니다.
본론 : 빅뱅 이후 (약 137억 년 전)
10-43초 ~ 1초 후: 플랑크 시간 (Planck time)
빅뱅 이후 기본 상호작용이라고 불리는 자연의 힘 4가지가 분리됩니다.
- 중력 : 4가지 힘 중 가장 약한 힘으로 질량이 있는 물체가 거리의 제곱에 반비례하는 크기로 서로를 끌어당기는 힘
- 강력 : 4가지 힘 중 가장 강한 힘으로 글루온이 매개하는 원자 핵을 결합시키는 강한 핵력
- 약력 : W/Z 보손이 매개하는 힘으로 입자를 변화시키는 약한 핵력
- 전자기력 : 광자가 매개하는 힘으로 대전된 입자들의 상호작용
이 때 우주의 온도는 100억 도를 살짝 넘어갑니다. 어마어마한 에너지는 물질을 만드는 중요한 원동력이 됩니다. 이전에는 쿼크만이 존재했지만 핵반응이 일어나면서 양성자와 중성자가 만들어집니다. 차츰 온도가 감소하면서 중성자는 붕괴되고 양성자만 남게 됩니다. 양성자가 안정화 됐다는 것은 주기율표 상의 1번 원소인 수소가 만들어졌음을 의미합니다. 입자가 달라붙어 원자핵이 되고, 원자핵에 전자가 붙어 원자가 된 것이지요.
1초 ~ 3분 후
우주 질량의 25%가 중수소핵이 합성되어 원자번호 2번인 헬륨이 만들어지는 핵반응이 일어납니다. 하지만 우리 우주에는 헬륨보다 더 무거운 원소(중원소)들이 존재합니다. 이러한 원소들은 어떻게 형성되었을까요? 흥미롭게도 중원소 형성에 대한 진실은 정상우주론을 주장했던 프레드 호일이 밝혀냈습니다. 프레드 호일과 그의 동료들은 별들을 관측하고 별들의 스펙트럼을 이용해 별이 가지고 있는 원소에 대해 연구했습니다. 그리고 그들은 별들에서 보이는 양만큼의 원소들이 만들어지기 위해서는 어떤 핵반응이 필요한지 측정했습니다. 이들은 논문을 통해 모든 원소들은 별에서 생성된다고 밝혔습니다.
3분 ~ 약 3억 년 후
이 시간 동안 우주에서 최초의 별이 형성됩니다. 태양처럼 스스로 빛을 내는 별들은 수소 핵융합으로 일생을 시작합니다. 그리고 안정적인 핵융합이 진행되는 동안, 일정한 크기를 유지하면서 빛과 열을 방출합니다. 그러다 별 중심에서 수소가 헬륨으로 모두 융합되면 핵융합 반응이 중단됩니다. 수소의 핵융합이 중단되고 중심의 온도가 1억 도에 달하면 별은 적색거성으로 부풀어 오릅니다. 부풀어 오른 적색거성 내부에서 또 다시 핵융합 반응이 일어나는데, 헬륨은 탄소로, 탄소는 산소로 점차 무거운 원소들이 만들어집니다.
이 작용은 가장 안정적인 원소인 철까지 만들고 멈춥니다. 거대한 용광로이자 연금술사인 셈입니다. 모든 별은 매우 뜨거운 중심부를 갖고 있고 새로운 물질을 만들 수 있는 능력을 가지고 있다고 볼 수 있습니다.
태양보다 10배 이상 무거운 별들은 초신성으로 폭발합니다. 초신성은 별이 수명을 다했을 때 생기는 현상입니다. 더 이상 타지 않고 빛을 잃고 붕괴합니다. 마지막 순간에 중심의 온도와 밀도가 급격하게 상승하여 금, 은, 우라늄 등 철보다 무거운 원소를 만들며 폭발합니다. 그 이유는 매우 무겁기 때문입니다. 그 자체의 중력이 스스로 잡아당기기 때문입니다. 이로 인해 다시 뜨거워져 폭발하는 것입니다.
재미있는 점은 별은 자연과 같이 순환의 역사를 걷습니다. 별의 죽음인 초신성의 폭발로 성운이 만들어지고, 그 안에서 새로운 별이 탄생합니다. 별은 일생을 통해 다양한 원소들을 만들고 죽음을 맞이하면 우주 공간에 그 원소들을 흩뿌립니다. 별의 죽음인 초신성의 폭발은 굉장히 밝아서 우리 은하는 물론이고, 우리 은하 밖에서 일어난 초신성의 폭발도 목격됩니다. 조선왕조실록에도 객성(客星), 손님별이란 뜻으로 초신성을 의미하는 관측이 기록되어 있습니다 (선조 37년 (1604년) 10월 6일 기록). 같은 초신성이 요하네스 케플러의 책 (신성에 대하여, De stella nova, 1606)에도 기록되어 있습니다. 요하네스 케플러가 발견했다고 해서 케플러 초신성이라 부르는데, 이 초신성의 흔적은 400여 년이 지난 지금도 뱀주인자리에서 관측되고 있습니다.
우리 몸을 구성하는 모든 원소들도 별의 일생을 통해 만들어진 것들입니다. 우리는 별의 자식이라고 볼 수 있습니다. 그리고 우리는 별이 죽었기 때문에 존재합니다. 태양계 또한 초신성의 폭발로 이루어진 것이라고 볼 수 있습니다. 그 별의 후예들이 유럽입자물리연구소 (CERN)에서 빅뱅을 재현하는 연구를 하고 있습니다. 아직도 풀리지 않은 미스테리, 우주의 최초 입자를 찾기 위해서 입니다. 마침내, 2010년 9월, 우주 탄생 후 10-9초의 우주 모습을 확인하는 데 성공했습니다.
결론
이제 우리 스스로에게 다시 질문을 던져 봅니다.
우리는 어디에서 왔고 우리가 사는 세상은 어떻게 시작된 것일까요?
우리가 거대한 우주에 산다는 것을 발견한 후 모든 것이 바뀌었습니다. 지구가 전부가 아닌 것이죠. 거대한 은하계의 어느 구석에 살고 있다는 것을 알게 된 것입니다. 그리고 우리는 우주를 구성하는 성분들의 아주 작은 부분으로부터 만들어졌습니다. 따라서 우리는 우주의 관점에서 볼 때 미물에 가깝다고 할 수 있습니다. 하지만 여기에 실망할 필요는 없습니다. 우주가 만든 지구에서 숨 쉬며 매 순간을 열심히 그리고 즐겁게 살아가기 때문입니다.