별은 어떻게 빛나는 걸까?

빛은 에너지다. 별이 빛나는 이유는 에너지가 별 내부에서 생성되는 있다는 이야기이다. 어떻게 별 내부에서는 에너지가 생겨 빛이 나고 있는 것일까?

  별 내부에서 어떠한 일이 일어나는지 알기 위해서는 우선 별 안에 무엇이 있는지 알아야 한다. 즉 별은 어떤 성분으로 구성되어 있는지를 알아야 하는 것이다. 

  1928년 영국 출신의 천문학자였던 세실리아 페인은 래드클리프 대학에서 박사과정 학생이었다. 그녀는 분광분석법을 이용하여 별의 대기를 구성하는 물질을 분석하는 작업을 하였고, 그 결과 별 내부에는 수소가 압도적인 성분이라는 것을 밝혀냈다. 그녀의 연구 이후 별 내부에는 중수소가 매우 드물며 수소와 헬륨이 별의 99퍼센트를 구성한다는 것을 알게 되었다. 

  독일 태생의 한스 베테는 1930년대 코넬 대학으로 이주하여 터널링과 같은 양자 과정을 참고하여 별 내부에서 어떠한 일이 일어나는지를 연구하기 시작했다. 그는 별들의 내부 온도에서 적당한 에너지의 방출과 함께 수소를 헬륨으로 전환시키는 두 개의 과정을 찾아내게 된다. 그중 하나는 양성자-양성자 반응으로 태양과 같은 별에서 압도적으로 일어나는 상호작용이다. 이 반응에서는 두 개의 양성자가 합쳐져 한 개의 양전자가 방출되면서 중수소의 핵을 만든다. 또 하나의 양성자가 이 핵과 융합하면 헬륨3(여기서 헬륨3이란 질량수가 3인 헬륨을 뜻하며, 질량수란 원소의 양성자의 개수와 중성자의 개수를 합한 것을 말한다)이 되고, 두 개의 헬륨3의 핵들이 합쳐지고 두 개의 양성자를 방출하면 헬륨4의 핵이 된다. 

  두 번째 과정은 탄소 순환 과정인데 탄소의 핵이 약간 있으면 양성자들이 이들 핵 속으로 터널링을 통해 들어간다. 탄소12의 핵에서부터 시작하여 여기에 양성자 하나를 첨가하면 불안정한 질소13이 되고, 다시 질소13은 양전자를 내뱉고 탄소13이 된다. 두 번째 양성자를 첨가하면 질소14가 되며, 세 번째 양성자를 질소14의 핵에 더하면 불안정한 산소15가 되며, 이 산소15는 양전자를 방출하고 질소15가 된다. 네 번째 양성자를 첨가하면 핵은 완전한 알파 입자 하나를 방출하고 처음의 탄소12로 돌아가게 된다. 

알파 입자 즉 헬륨의 원자핵인 이 입자는 네 개의 양성자들이 하나의 헬륨 핵으로 전환되고 이 과정에 두 개의 양전자가 나오며 여기서 엄청난 에너지가 방출되는 것이다. 이 두 번째 과정은 태양보다 최소한 1.5배 무겁고 중심부 온도도 좀 더 높은 별에서 효과적으로 일어나는데 많은 별들의 경우 두 가지 과정이 모두 일어난다.

  이렇듯 별 내부에서는 수소와 헬륨으로부터 한 단계 한 단계씩 좀 더 무거운 원소를 만들어 낼 때의 질량 차이가 아인슈타인의 질량-에너지 등가원리에 따라 상상할 수 없는 엄청난 양의 에너지로 만들어지게 되며 이로 인해 별들은 우리가 현재 보고 있는 빛을 내고 있게 되는 것이다.