우주 탄생 후 최초의 핵은 어떻게 만들어졌을까?

우주가 탄생하고 나서 약 100초 정도가 지나게 되면 우주의 온도는 절대 온도 10억 도 아래로 떨어지게 된다. 이로 인해 약력은 양성자와 중성자의 수가 일정한 비율이 될 수 있도록 균형을 만든다. 하지만 중성자는 본래 불안정하다. 왜냐하면 중성자를 이루는 다운 쿼크 중 하나가 약력을 받아 업 쿼크로 쉽게 변하기 때문이다. 이를 자유 중성자라고 하는데 자유 중성자의 반감기는 약 610초 정도 된다. 자유 중성자는 대폭발 후 100만 분의 1초가 지난 후부터 존재해 왔다. 불안정한 중성자는 빅뱅 후 100초가 지났을 무렵 이미 전체의 25%가 붕괴된다. 이로 인해 이 무렵의 양성자와 중성자의 비율은 7:1이 된다. 

 우주의 온도가 10억 도 정도에 이르렀을 때 약력에 의해 중성자와 양성자의 비율이 균형을 이루면서 중성자는 양성자와 핵반응을 일으켜 더 무거운 핵을 만들기 시작한다. 이때부터 본격적으로 핵 합성이 시작된다. 핵 합성은 한 개의 양성자와 한 개의 중성자가 결합하면서 시작된다. 양성자가 중성자를 포획하면 중수소가 되는데 양성자와 중성자는 중수소 안에서 안정한 상태를 유지할 수 있다. 중수소의 에너지는 자유 양성자와 자유 중성자의 에너지를 더한 값보다 작다. 이 차이가 바로 결합에너지에 해당된다. 

  중수소의 핵 내부에서 양성자와 중성자를 결합시키는 힘은 강한 상호작용이다. 이 힘은 양성자와 중성자, 양성자와 양성자, 중성자와 중성자 사이에 작용하는 것으로 파이온이 이 힘의 매개 입자가 된다. 

 이렇게 중수소 핵이 충분히 만들어지면 그다음에 일어나는 일은 핵반응의 상대적인 속도에 따라 달라진다. 이는 핵 합성이 시작되는 무렵인 우주의 초기 조건에 따라 달라질 수밖에 없다.

  중수소의 핵이 다른 중성자와 만나 삼중수소가 되면서 광자를 방출한다. 또한 중수소가 다른 중수소와 반응하여 삼중수소가 되면서 자유 광자를 방출할 수도 있고, 양성자 2개와 중성자 1개로 이루어진 불안정한 헬륨이 될 수도 있다. 이러한 불안정한 헬륨은 자유 중성자와 마찬가지로 약력의 영향을 받는다. 불안정한 헬륨은 삼중수소와 반응하여 안정한 헬륨의 핵이 될 수 있다. 이렇게 만들어진 양성자 2개와 중성자 2개로 이루어진 헬륨은 모든 원자핵 중에서 가장 안정한 종류에 속한다. 불안정한 헬륨이 베릴륨의 동위원소로 변하거나 리튬의 동위원소로 변하는 과정에서 안정한 헬륨은 빠르게 늘어나면서 우주에는 상당량의 안정한 헬륨이 축적되는 것이다. 

  우주 초기, 원시핵합성이 끝나던 무렵 우주의 전체 질량에서 안정한 헬륨이 차지하는 비율은 약 24% 정도 된다. 나머지 약 76%는 우주에서 가장 중요한 수소의 원자핵이었다.

  이렇듯 원시핵합성은 전하를 띤 플라즈마 속의 양성자, 중성자, 전자, 광자를 양전하를 띤 수소 원자핵과 양전하를 띤 안정한 헬륨의 원자핵 그리고 전자와 광자로 바꾸어 놓았다.