산소 탄생시기로 우주역사가 바뀔까?
초기 우주에는 수소와 약간의 헬륨, 그리고 미량의 리튬만이 있었다. 우주의 75%는 수소로 구성되어 있고, 그 나머지도 대부분 헬륨이다. 수소와 헬륨을 제외한 나머지 원소는 그 양이 굉장히 적다.
초기 우주에는 수소와 헬륨밖에 없었기 때문에 1세대 별들은 수소와 헬륨으로 만들어졌다. 이 후 항성의 핵융합으로 새로운 원소가 만들어지는 항성 핵합성(stellar nucleosynthesis)에 의해 다양한 원소가 만들어졌다. 천문학자들은 수소와 헬륨을 제외한 원소들을 ‘중’ 원소나 금속 원소라고 부른다.
지속된 핵융합으로 중심부의 수소가 소진되면 별은 죽음의 단계로 접어든다. 이 때 별의 질량에 따라 다양한 양상을 보인다. 태양 질량 정도의 별은 중력 수축이 다시 진행되고, 중심부는 전자의 밀도가 높아져서 생긴 압력과 중력이 균형을 이뤄 수축이 멈춰 백색왜성이 되고, 중심부 바깥쪽으로 이동한 핵융합 반응은 바깥쪽을 적색거성으로 부풀린 후 우주로 날려버린다.
태양보다 훨씬 무거운 별은 중력 수축에 의해 더 높아진 온도로 헬륨을 합성해서 탄소를 만드는 과정을 비롯한 무거운 원소들이 합성되는 과정이 차례로 이어지고, 마침내 가장 안정된 핵인 철이 합성되면 별 핵 합성 과정은 더 이상 진행되지 않는다. 그러면 중력 수축이 다시 일어나고 높아진 전자의 겹침압력으로 중심부의 양성자와 전자가 반응하여 모두 중성자로 바뀐다. 중력 수축이 계속되어 높아진 중성자 밀도에 의한 겹침압력이 중력 수축을 막을 수 있으면 중심부는 중성자별이 되고, 질량이 너무 커서 중력 수축을 막을 수 없는 경우 블랙홀이 된다.
최후의 수축과정에서 중심부 바깥쪽은 같이 수축하다 단단한 중심부에 막혀 바깥쪽으로 거대한 폭발을 일으켜 초신성이 된다. 초신성 폭발은 별 핵합성 과정이 만든 무거운 원소들을 우주로 되돌려준다. 초신성 폭발은 결정적인 역할을 하나 더 하는데, 중심부 근처에서 많은 중성자가 쏟아져 나오면서 바깥쪽의 무거운 원소들을 덮쳐 철보다 무거운 원소들을 만들어낸다.
핵융합 반응을 하는 원료가 소진되면 별은 엄청난 폭발과 함께 우주 공간으로 무거운 원자핵 찌꺼기들을 흩뜨려서 우주에 무거운 물질을 채운다. 이러한 과정을 화학적 비옥 화(Chemical Enrichment)라고 한다. 그 이후에 태어난 2세대 이후의 별들은 1세대 별들이 남긴 더 무거운 원소와 함께 태어날 수 있다. 태양은 2세대의 별이다. 별들의 세대 차이는 별빛을 분석해 각각의 별이 어떤 화학 성분으로 구성되어 있는지를 비교하면 확인할 수 있다. 금속 원소가 거의 없는 별은 아주 오래 전에 탄생한 별이라고 볼 수 있고, 금속 원소가 많은 별은 늦게 태어난 별이라고 볼 수 있다.
초기 별들은 탄소보다 산소를 더 많이 생성한 것으로 생각된다. 탄소는 우주 탄생 약 10억 년 후에 합성되기 시작한 것으로 본다. 2024년 빅뱅 후 얼마 되지 않은 은하를 관측한 결과 생각보다 많은 양의 탄소가 포함되어 있는 것이 확인되었다. 빅뱅 이후 불과 3억 5000만 년 뒤의 우주에 풍부한 탄소가 존재했을 가능성이 새롭게 제기된 것이다. 탄소가 알려진 것보다 일찍 생성되었음을 의미한다. 최초의 별들이 생각했던 것과는 다른 과정으로 만들어졌음을 시사한다. 어쩌면 초기의 별이 초신성으로 폭발했을 때의 에너지는 기존 예측보다 적었을 가능성이 있다. 이것이 맞는다면 별의 바깥 부분에서 형성된 탄소는 폭발로 멀리까지 날아가 은하 전체로 퍼질 수 있었지만, 산소는 뒤늦게 블랙홀에 삼켜졌을 수 있다. 어쩌면 생명 탄생은 기존 예상보다 훨씬 빠를 가능성이 있다.
https://arxiv.org/abs/2311.09908
