‘나는 누구인가?’ 우주가 응답하다! ‘우주먼지…’
별은 중력, 전자기력, 강력, 약력의 상호작용이 모두 협력해서 우주에 빛과 에너지를 공급하는 놀라운 복잡 계이다. 우주에 존재하는 것은 확인된 네 가지 힘이 모두 힘을 합쳐 만든 천체이다.
별은 거대한 우주먼지와 가스 구름이 중력의 힘에 의해 점차 합쳐지면서 만들어진다. 가스와 먼지구름은 밀도요동의 성장으로 형성됐을 수도 있고, 이전에 있던 무거운 별의 폭발로 형성됐을 수도 있다. 물질의 밀도가 높아지다가 어느 한계를 지나면 수소 핵융합이 일어나면서 별이 만들어진다. 물질의 밀도가 상대적으로 낮으면 중수소 핵융합이 일어나면서 갈색 왜성을 만든다. 갈색 왜성은 목성 질량의 최대 13배 정도이다. 중력 붕괴를 통해 형성되는 천체의 하한선은 목성 질량의 약 3~7배다.
물질이 중력에 의하여 작은 영역으로 모이면 중력 퍼텐셜 에너지가 감소한 만큼 운동에너지가 증가한다. 운동에너지는 열과 압력이 되어 물질이 어느 한계 이상의 작은 영역으로 모이는 것을 막는다. 이 한계를 극복하고 더 작은 영역으로 수축하려면 에너지를 방출해서 수축에 저항하는 압력을 수축하려는 중력보다 줄일 수단이 있어야 한다. 즉, 중력 이외의 다른 상호작용이 필요하다. 원자들은 중력 수축으로 온도가 올라가면 전자기 상호작용(전자기력)을 통해 복사를 방출하며 에너지를 줄여 수축을 지속할 수 있어서 엄청나게 밀도가 높은 별과 행성을 만들 수 있다.
2023년 기존 이론으로는 설명이 안 되는 밀도가 매우 낮은 천체가 발견되었다. 1350광년 떨어진 오리온성운(M42 또는 NGC1976)에서 중심별 없이 우주 공간을 떠다니는 150여개의 천체를 발견했다. 발견한 천체들의 질량은 목성의 절반이나 목성 정도로 온도는 약 1000도에 이른다. 천체들 사이의 거리는 지구와 태양 거리의 약 200배이며 2만년 이상의 주기로 서로를 공전한다. 이 중 42개는 쌍을 이뤄 움직이고 있는 것처럼 보였다. 기존의 항성과 행성 형성 이론에 따르면 이런 천체는 존재할 수 없다. 별을 생성할 만큼 물질의 밀도가 높지 않은 구역에서 탄생한 천체일 수 있다. 어니면 행성이 다른 행성과의 상호작용으로 인해 별 바깥의 성간 우주로 방출됐을 수 있다. 왜 많은 쌍을 이루고 있는지는 모른다. 우주는 무한하거나 무한에 가까우므로 ‘무엇이던지’ 가능하다. 따라서 우리가 ‘관측하지 못한 것’이 새로이 계속 발견되리라 본다.
https://doi.org/10.48550/arXiv.2310.01231
인간의 몸이나 행성을 구성하는 원소는 몇 세대에 걸친 별 핵 합성 과정의 결과물이다. 우주에는 세 종류의 핵 합성 공장이 있다. 제1공장은 빅뱅 핵 합성 과정으로 우주의 전역에서 동시에 일어났으며, 양성자와 중성자를 합성하여 헬륨과 소량의 가벼운 핵을 만들었다. 현재 우주에 있는 헬륨 대부분은 이때 만들어졌다. 제2공장은 별의 중심부에서 일어나는 별 핵 합성 과정이다. 중심부 온도에 따라 수소, 헬륨, 탄소, 네온, 산소, 규소 연소 반응이 차례로 진행되어 헬륨에서 가장 안정된 핵인 철 사이에 있는 여러 안정된 핵종을 만든다. 제3공장은 무거운 별의 죽음이나 두 별의 병합과정에서 일어나는 초신성 폭발이다. 폭발과정에서 많은 중성자가 퍼져나가면서 별 핵 합성으로 만들어진 핵에 중성자 포획과정이 일어난다. 그 결과 별 핵 합성에서는 만들어지지 않는 철보다 무거운 원소와 헬륨과 철 사이에 있는 여러 ‘중간’ 핵들이 만들어진다.
별의 일생은 대략 원시별, 주계열별, 죽음의 3단계로 나눈다. 원시별은 가스와 먼지구름이 중력 수축으로 중심부의 압력과 온도가 올라가면서 빛을 내는 단계이다. 수축에서 얻은 중력 퍼텐셜에너지 중 절반은 빛으로 방출되고 절반은 중심부를 가열하는 데 쓰여 온도와 압력은 증가하지만, 중력은 더 커지므로 수축이 멈추지 않고 계속 진행된다. 중심부 온도가 임계점을 넘어가면 수소를 합성해서 헬륨을 만드는 핵융합 반응이 시작되고, 여기서 나오는 에너지로 온도와 압력을 일정하게 유지하며 중력과 균형을 이뤄 더 이상 수축하지 않고 안정적으로 빛을 방출하는 주계열별이 된다. 그리고 상상을 초월하는 시간이 지나면 별도 죽는다. 우리는 주계열별이 비춰주는 빛이 만들어낸 생명으로 태양이 만들어낸 에너지를 먹고 태어나서 살다가 죽는다. 태양이 창조자인 셈이다. 고대 이집트에서는 태양신을 섬겼다. 태양은 우주먼지에서 왔다. 우리는 우주먼지이다.
