연문위키 - 13편. 절대적이고 상대적인 온도④

4) 태양이 뜨거운 이유.

태양은 어떤 별일까요?

1952년 처음 등장한 우주소년 아톰

원자는 모든 물질을 구성하는 기본 입자입니다. 모든 것은 원자로 이루어져 있어요. 사람도 사자도, 장미꽃도, 심지어 태양도 원자로 이루어져 있습니다. 원자는 그 말 그대로 근원이 되는 물질입니다. 영어로는 atom 이에요. 어릴 때 많이 봤던 데즈카 오사무의 '우주소년 아톰(Mighty Atom)'도 원자에서 그 이름을 따왔어요. 참고로 아톰의 배경은 바로 21세기, 지금입니다. 원자력을 에너지로 하여 사람과 똑같은 감정을 가진 소년 로봇 아톰이 활약하는 스토리인데, 아직 21세기가 75년 정도 남았으니 '우주수년 아톰'의 이야기가 허무맹랑하지만은 아닐거에요.

원자 구조도

원자는 원자핵(양성자 + 중성자)와 그 주위를 도는 전자로 이루어져있어요. 그리고 우리는 현재까지 약 100종류의 원자를 발견하거나 만들어냈어요. 주기율표에 등장하는 원자들을 원소(element)라고 합니다. 원소는 원자를 그 성질에 따라 구분할 때 사용하는 말이요. 그리고 입자(particle)는 원자와 같이 아주 작고 거의 눈에 보이지 않을 정도의 작은 물체를 의미해요.

주기율표 (periodic table) : 원소를 구분하기 쉽게 원소의 성질에 따라 배열한 표

현재까지 알려진 바로는 우주에 존재하는 모든 원자들은 빅뱅(BigBang)을 통해 만들어 진 것입니다. 빅뱅은 약 138억년 전 우주가 탄생한 순간을 의미하죠. 빅뱅 이전의 우주는 에너지가 한 점에 모여서, 엄청난 에너지를 가지고 있었던 상태였어요. 그래서 어떤 종류의 물질도 존재하지 않았던 것으로 추정합니다. 사실 어땠는지 아무도 확실히 알 수 없어요.

빅뱅(Big Bang) 우주론
 오늘날 관측되는 우주의 팽창성을 토대로 추정되는 우주의 기원 가설입니다. 현재의 우주 모습을 되짚어 보면 태초에는 모든 에너지가 한 점에 모여 있었으며, 이것이 137억 9900만 년(±210만 년) 전 대폭발(Big Bang)을 일으켜 우주를 형성했을 것이라는 이론이에요. 1920년 러시아의 수학자 알렉산드르 프리드만이 최초로 주장하였습니다.

최근까지 지속적으로 보완되고 있는 빅뱅 우주론은 '표준 우주 모형(Standard model)'이라고 불려요. 처음 발표되었을 당시에는 빅뱅이 성경에 등장하는 신이 우주를 만든 순간을 연상시킨하다고 하여 과학계에서 싫어했어요. 성경의 창세기에 하느님이 “빛이 있으라”라고 했다는 구절이 있거든요.

현대과학으로도 빅뱅 이전의 상황에 대해서는 '알 수 없다'고 해요.

빅뱅 이전에는 모든 에너지가 한점에 모여 있었으니, 극도로 작은 부피에서 밀도가 커져, 온도가 엄청나게 높았을거에요. 그러던 어느 날 갑자기 빅뱅을 통해 공간이 팽창하고, 에너지가 우주 전체로 퍼져나가면서 우주의 온도가 급격하게 내려가기 시작합니다. 빅뱅 이후 아주 짧은 시간 동안 10의 27승℃ 에서부터 2조℃까지 계속해서 식었습니다. 3분 후에는 우주의 온도가 수백만 도까지 낮아져 양성자와 중성자가 섞여 중수소, 삼중수소, 헬륨 원자핵이 생성되어 원자를 만들 채비를 마칩니다. 그리고 빅뱅 30만년쯤 후에는 약 3,000℃까지 온도가 내려갔을 거에요. 137억 9,900만 년이 지난 현재에는 우주 대부분의 공간에서의 온도인 영하 270℃ 정도를 유지하고 있어요.

빅뱅이 일어나고 38만년이 흐른 뒤 비로소 원자들이 생성되기 시작합니다. 이 때 처음으로 만들어진 원자가 주기율표의 1번과 2번인 수소(H, Hydrogen)와 헬륨(He, Helium)입니다. 그리고 수소와 헬륨의 결합을 통해 우주의 모든 원자들이 만들어지게 됩니다. 하지만 그렇게 만들어진 원자들은 매우 소수이고, 여전히 수소가 75% 정도를 차지해요. 게다가 헬륨이 약 24% 정도를 차지하니 우주 전체 원자의 98%는 수소와 헬륨이에요. 

참고로 지구의 원소 조성비는 우주와는 아주 다릅니다. 지각에서 가장 많은 비중을 차지하고 있는 원소는 산소로 46.6%나 되요. 그 다음이 규소 27,7%, 알루미늄 8.1%, 철 5%, 5위 칼슘 3.6%, 나트륨 2.8%, 칼륨 2.6%, 마그네슘 2.1% 순입니다. 이렇게 보니 지구는 참 특이한 행성이에요.

조성비(組成比, composition) : 물질을 구성하는 원소의 비율과 함유량

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우주에 수소가 얼마나 많은지 감이 잘 안오신다구요?

태양은 태양계에서 가장 크고, 무거운 별입니다. 태양은 지구처럼  암석 기반의 단단한 행성이 아닌 수소와 헬륨 기체로 이루어진 별인데도 말이에요. 사실 태양계는 태양과 나머지 아이들이라고 할 수 있을 정도에요. 태양계 전체 질량의 약 99.86%를 태양이 차지하기 때문이죠.

움직임이 자유로운 기체로 구성되어 있다보니 명확한 바깥 경계가 없고,  지속적으로 폭발하기 때문에 태양의 지름은 정확히 측정은 어렵지만 약 139만 2천 km로 지구보다 109배 크다고 합니다. 게다가 질량은 1.989 × 10의 30승 kg(1.989 Qkg)으로 지구보다 약 33만 배 무겁고, 부피 또한 지구의 144만 배나 되요.

quetta : 10의 30승을 나타내는 기호. Q로 표기.

단위에서 수를 표현할 때는 'SI 접두어'를 활용합니다. SI 접두어는 주로 도량형 등에 사용되는데요, centi, kilo, mega 처럼 일상 생활에서 많이 들어보셨을꺼에요. SI 접두어는 국제 도량형국(BIPM)에 의해 국제단위계(SI)로 표준화되어 사용합니다. 전류, 온도, 시간, 길이, 질량, 광도, 물질량의 단위에 사용되는 표준화된 도량형이 바로 SI 접두어에요.

SI 접두사에서 10의 30승을 나타내는 기호는 퀘타(quetta)입니다. Q라고 표기해요. 2022년 11월에 만들어진 신조어죠. 참고로 10의 27승은 론나(ronna)입니다. R로 표기하지요. 그러니 태양의 질량은 1.989 Qkg 이라고 쓰고, 1.989 퀘타킬로그램이라고 읽는 거에요.  

단위를 제외한 일반적인 숫자 체계에서는 수의 이름을 읽는 방법을 사용합니다. 이를 명수법(命數法)이라고 합니다. 우리가 잘 알고 있는 '일, 십, 백, 천, 만, 억, 조, 경, 해' 와 같이 수에게 이름을 붙이는 것이죠. '1해'가 10의 20승입니다. 해 다음은 자(10의 24승), 양(10의 28승), 구(10의 32승)가 있어요. 이런식으로 10의 68승인 '무량수'까지 존재합니다.

영어에도 명수법이 존재하는데요, 백(hendred), 천(thousand), 만(myriad)라고 부르고, 이후에는 3자리마다 이름이 붙어요. 10의 6승인 백만은 million, 9승은 billion, 12승은 trillion이라고 합니다. 그리고 10의 30승은 nonillion이라고 해요. 우리가 잘 알고 있는 검색 엔진인 구글(google)은 10의 100승을 의미하는 Googol 에서 유래되었어요.  

태양 내부 모습 설명도

이 정도 존재감을 가진 태양도 99% 이상이 수소와 헬륨으로 이루어져 있어요. 75%는 수소, 나머지 25는 헬륨이죠. 태양계 질량의 99.86%를 차지하는 태양의 99% 이상이 수소와 헬륨이라는 의미에요. 그러니 태양계는 사실 수소와 헬륨의 공간이라고 해도 될 정도입니다.

태양은 중심핵에서 1초당 4억 3천만에서 6억톤 정도의 수소를 태우고 있습니다. 태양은 지금까지 45억 6720만년 동안 수억톤의 수소를 매초마다 태우고 있거든요. 그런데도 앞으로 50억년 정도 수소를 더 태울 예정이라고 하네요.

우주의 스케일이란...

태양은 구조적으로는 안정적이지만 태양의 표면은 지속적으로 폭발(Solar flare)하고 있으며, 이때 에너지를 분출하는데 이 에너지가 새로운 자기장을 발생시켜 지구의 전자 통신 등에 문제를 일으키기도 합니다. 그리고 개기 일식 때 진행 시간 중 잠깐 동안 맨눈으로 태양의 바깥쪽 대기인 코로나(corona)를 볼 수 있어요.

태양 플레어(Solar flare)  
태양 대기에서 발생하는, 수소폭탄 수천만 개에 해당하는 격렬한 폭발을 뜻하는 말입니다. 태양 플레어는 수 시간 혹은 여러 날에 걸쳐서 형성되지만, 다행히도 수 분 정도의 짧은 시간에만 방출됩니다. 이 때 지구에서는 통신장애와 대규모 정전이 발생할 수도 있다고 해요.