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[궤도 밖의 과학] 거대한 별 내부에서 벌어지는 경이로운 과정
우주 대폭발 이후 우주에는 수소가 생겨났다. 태양의 92%는 수소로 이뤄져 있다. [GETTYIMAGES]
2016년 한류 열풍을 일으킨 ‘태양의 후예’라는 드라마가 있다. 여기서 ‘태양’은 1955년 소아마비 백신을 개발한 조너스 소크 박사가 한 말에서 비롯됐다. 백신 특허 소유권을 묻는 기자에게 소크 박사는 이렇게 답했다. “태양에 특허를 낼 수는 없습니다.” 이윤보다 인간 생명을 중시한 그는 확실히 태양의 후예가 맞다. 하지만 천문학적으로 우리는 태양의 후예가 되기엔 너무 무겁다. 무슨 말인가 하면, 태양만으로는 우리를 구성하는 무거운 물질들을 만들어내기 어렵다는 뜻이다.
우주 대폭발 이후 꽤 오랜 시간이 걸리긴 했지만, 우주에 수소가 탄생했다. 수소는 존재하는 총 원자 수의 90%를 차지하며, 전체 질량의 75%가 넘는다. 태양 역시 전체 92%가 수소로 이뤄져 있다. 나머지 8%는 헬륨이다. 태양처럼 비교적 가벼운 항성에서는 수소를 헬륨으로 바꾸기 위해 ‘양성자 - 양성자 연쇄 반응(P - P Chain)’이 주로 일어난다. 1920년대 아서 에딩턴이 이를 처음 발견했다. 2개의 수소 원자핵이 충돌하면 중수소 원자핵이 만들어지고, 이게 다시 수소 원자핵과 충돌하면서 헬륨의 가벼운 동위원소들이 탄생한다. 초대형 공원에서 벌어지는 술래잡기처럼, 잡힌 사람은 다시 술래가 되고, 또다시 잡히고 하면서 아주 천천히 술래 역할을 반복하는 헬륨이라는 술래 전담자가 늘어나는 것이다. 이 과정에서 손실된 질량만큼 핵융합 에너지가 만들어진다. 태양 내부 에너지의 99%는 이렇게 탄생한다. 나머지 1%의 정체는 1939년 독일 태생의 미국 물리학자 한스 베테가 밝혀냈다. 그가 찾아낸 방법은 ‘CNO(탄소-질소-산소) 순환’이라는 것인데, 항성 내에 존재하는 탄소나 질소, 산소가 수소와 잇달아 반응하는 좀 더 복잡한 과정이다. ‘양성자 - 양성자 연쇄 반응’이 술래잡기 수준이라면, ‘CNO 순환’은 인기 온라인 게임 ‘어몽 어스’처럼 규칙이 복잡해진다. 중요한 건 태양은 수소로부터 헬륨만 만들어낼 수 있다는 사실이다. 아쉽게도 인간의 몸은 수소와 헬륨만으로 이뤄져 있지 않다. 수소가 63%나 차지하는 건 맞지만 산소와 탄소, 그리고 소량의 질소, 인, 황, 염소, 칼륨처럼 무거운 원소들도 포함돼 있다. 그렇다면 수소와 헬륨 외 다른 원소들은 어디에서 왔을까.
핵물리학을 별 내부에 적용
프레드 호일 [GETTYIMAGES]
과거 물리학자들은 우주 대폭발인 빅뱅 당시 일어난 핵융합 반응으로 모든 원소가 한꺼번에 생성됐을 것이라고 믿었다. 하지만 영국의 영향력 있는 천문학자였던 프레드 호일은 고개를 저었다. 그는 빅뱅 초기에 수소와 헬륨처럼 가벼운 원소만 생성됐다고 추측했다. 물론 급격한 우주 팽창 이후 현재 지구와 같은 행성을 구성하는 철, 마그네슘, 규소 등 무거운 원소들이 어떻게 나왔는지를 설명해야 했다.
호일이 생각한 답은 별의 내부에 있었다. 아마도 매우 높은 온도와 압력 상태에서 가벼운 원소가 융합해 무거운 원소가 되고, 이러한 환경은 분명 질량이 매우 큰 별 내부에서 만들어질 수 있을 것이라고 판단했다. 마치 마블 어벤저스 히어로 중 한 명인 토르의 새로운 무기 ‘스톰브레이커’가 중성자별에서 만들어진 것처럼 말이다. 호일은 통계학적으로 접근했다. 만약 자신의 이론에 따라 자연스럽게 생성되는 각 원소의 비율을 계산한 결과가 실제 존재하는 원소들의 관측 비율과 동일하다면 자신이 옳다는 것이었다. 관측 결과는 놀랍게도 일치했다. 하지만 그의 연구는 전혀 주목받지 못했다. 핵물리학을 별 내부에 적용한다는 건 너무 혁신적인 아이디어였기 때문이다. 그로부터 8년 후 미국 캘리포니아공과대에서 연구하던 한 천문학자가 그와 공동연구를 하기 위해 움직였다. 바로 오늘의 주인공 윌리엄 앨프리드 파울러다.
천체물리학 근간 만든 생계형 과학자 파울러
윌리엄 앨프리드 파울러 [노벨재단 홈페이지]
파울러는 펜실베이니아주 피츠버그의 중산층 집안에서 태어났다. 고교 졸업 후 오하이오주립대 세라믹공학과에 입학했지만, 물리학으로 전공을 바꿨다. 넉넉한 집안형편이 아니었기에 그는 먹고살기 위해 평일에는 사교클럽에서 잡일을 하고, 주말에는 포장마차에서 음식을 팔았다. 힘든 상황에서도 열심히 공부해 1933년 세계적으로 유명한 캘리포니아공과대 대학원에 입학했다. 당시 그곳에는 노벨물리학상 수상자이자 기름 방울 실험으로 유명한 로버트 밀리컨이 설립한 ‘켈로그방사선연구소’가 있었다. 실험물리학에 관심이 많았던 파울러는 방사선연구소에 자주 들러 실험에 참여했다. ‘호랑이 기운이 솟아나는’ 미국 콘플레이크 회사 켈로그가 많은 예산을 투입한 연구소라 실험에 몰두하기 좋은 환경이었다.
파울러는 지도교수인 덴마크 출신 물리학자 찰스 크리스티안 라우리첸으로부터 연구뿐 아니라 인생에 대해서도 많은 지도를 받았다. 재능 많고 훌륭한 과학자 밑에서 그는 핵물리학이라는 분야에 관심을 두게 됐다. 두 원자핵에서 한쪽의 양성자 · 중성자 수가 각각 다른 쪽의 중성자 · 양성자 수와 같을 경우인 ‘거울핵’을 발견했다. 1939년 졸업 후 교수가 된 파울러와 그의 스승 라우리첸은 베테가 발견한 ‘CNO 순환’에 관심이 많았는데, 실제로 별 내부에서 벌어지는 일을 실험실에서 재현하는 데 성공했다. 바로 핵물리학과 천체물리학이 긴밀하게 융합된 핵천체물리학의 시작이다.
반골 성향이 강했던 프레드 호일처럼 파울러도 우주에 존재하는 원소들이 어떻게 만들어졌는지 궁금했다. 파울러는 1954년 때마침 찾아온 안식년을 호일 동생과 함께 보내고자 케임브리지대로 찾아갔다. 그곳엔 이미 마거릿과 제프리 버비지가 있었다. 두 사람은 이미 뛰어난 실력을 갖춘 천체물리학자 부부였다. 그들은 당시 별에서 나오는 스펙트럼의 화학 조성을 연구하고 있었는데, 핵반응이 진행 중인 별을 발견해 관측했다. 그로부터
2년 후 이번에는 버비지 부부와 호일이 파울러를 찾아 켈로그방사선연구소로 왔다. 버비지 부부는 그동안 모아온 스펙트럼 관측 결과를 정리했고, 호일과 파울러는 다양한 원자핵 정보를 바탕으로 추측한 원소의 기원을 주기율표에 배열했다. 그렇게 100쪽 넘는 두꺼운 논문이 완성됐다. 1957년 드디어 빅뱅 당시 생성된 수소와 헬륨을 시작으로 무거운 우라늄까지 포괄하는 원소 합성에 관한 논문이 게재됐다. 원자번호
6번 탄소부터 92번 우라늄에 이르는 모든 원소가 은하계 내부 거대한 별에서 합성됐다는 사실이 알려진 것이다. 공저자 4명의 이름을 따 ‘B2FH(Burbidge2 - Fowler - Hoyle)’로 불리는 이 논문은 현재까지 다른 논문에 5000회 가까이 인용되며 천체물리학 연구 핵심 자료로 활용되고 있다.
노벨물리학상 수상에도 일생 괴로웠던 이유
우주의 원소가 생성되는 핵반응 과정에 관한 연구를 수행한 공로로 1983년 12월 파울러는 별의 진화 과정을 연구한 수브라마니안 찬드라세카르와 함께 스톡홀름에서 노벨물리학상을 공동수상했다. 인류는 우주 먼지로부터 왔으며, 이러한 미세한 입자들이 어떻게 우주에서 생성됐는지를 규명한 건 충분히 위대한 일이었다. 문제는 파울러가 노벨상을 받았다는 사실이 아니라, 마땅히 함께 받아야 할 호일이 받지 못했다는 점이다. 앞서 밝혔듯이, 호일은 이미 1946년부터 핵천체물리학의 기반을 마련했고, 파울러의 연구 성과는 호일의 전폭적인 협력이 없었다면 세상에 나올 수 없었다. 별 내부에서 탄소가 생성되는 과정을 검증하는 실험도 호일이 먼저 제안했다. 탄소부터 니켈까지 원소가 합성되는 고온의 핵융합 반응에 대한 설명도 그가 먼저 했다. 하지만 애석하게도 호일은 노벨물리학상을 받지 못했다.
성격 문제로 노벨위원회와 사이가 좋지 않았다거나 빅뱅 등 과학계의 주류 이론을 부정했기 때문이라는 변명은 아무 의미가 없었다. 호일은 평생 본인이 받지 못한 노벨상에 대해 일절 언급조차 하지 않았다. 하지만 파울러는 깊은 괴로움에 빠졌다. 그는 노벨상 수상자 강연을 포함해 발언권을 얻을 기회만 있으면, 늘 원소 합성에 대한 기본 개념을 정립한 사람은 호일이라고 밝혔다. 버비지 부부의 도움에도 항상 감사했다. 파울러는 분명 노벨상을 받을 만한 업적을 남겼으나, 죽는 순간까지 동료가 공동수상에서 배제됐다는 죄책감에 시달렸다. 솔직하고 겸손한 과학자였지만, 제대로 행복을 누리지 못했다.
진정한 태양의 후예가 되기 위해서는 수소나 헬륨처럼 가벼운 물질들로만 이뤄져야 하는 게 맞다. 하지만 그렇지 않으니 우리는 엄밀히 말해 우주 먼지의 후예나, 초신성의 후예가 되는 편이 좋겠다. 물론 태양으로부터 합성된 헬륨도 수십억 년이 지나서 돌고 돌아 다시 무거운 원소를 합성할 수도 있다. 그렇게 탄생한 행성과 문명의 블록버스터 드라마가 나온다면 그때는 진정 태양의 후예로 불러도 좋다.
궤도는… 연세대 천문우주학과 학부 및 대학원을 졸업하고 한국천문연구원 우주감시센터와 연세대 우주비행제어연구실에서 근무했다. ‘궤도’라는 예명으로 팟캐스트 ‘과장창’, 유튜브 ‘안될과학’과 ‘투머치사이언스’를 진행 중이며, 저서로는 ‘궤도의 과학 허세’가 있다.
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프레드 호일 [GETTYIMAGES]
윌리엄 앨프리드 파울러 [노벨재단 홈페이지]
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