우리는 가끔 일상에서 벗어나 이 세상은 무엇이고 나는 누구인가를 생각할 때가 있습니다
이러한 질문은 참으로 오묘하면서도 항상 결론은 모르겠다로 끝나곤 합니다
그러나 이러한 질문은 비단 우리만의 것이 아니라, 이 땅을 살아왔던 모든 인류의 공통된 질문이었을 것입니다
아마 오래 전의 그들도 우리들이 보던 태양과 하늘을 보고 즐거워했고, 또 밤하늘의 별을 보면서 '왜 저 별들은 빛나는 걸까?' 라는 순수한 질문을 가졌을 것입니다
이러한 순수한 호기심은 과학을 발전시키는 원동력이 되었고, 과학의 발전은 우리를 더 깊은 우주의 진리로 이끌기도 하였습니다
아주 오래전 철학자들은 세상 만물은 물, 흙, 불, 공기의 4대 원소로 이루어져 있다고 믿었습니다
그 시대의 과학은 자연의 표피만을 탐색할 수밖에 없는 시기였기 때문에 그들의 주장은 당시로서는 가장 최선의 설명이었을것입니다
그러나 과학이 발전하면서 우리는 물질의 표면 너머에 있는 더 깊은 구조를 볼 수 있게 되었고, 이 세상의 물질은 아주 작은 원자라는 입자로 이루어져 있음을 알게 되었습니다
물은 수소와 산소가 결합하여 만들어졌고, 단백질은 탄소를 비롯한 다양한 원자들의 결합으로 만들어졌습니다
여기서 우리는 더 근원적인 질문을 던지게 됩니다
그렇다면 수소, 산소, 탄소, 질소들의 원소들은 어디서 만들어지는 것일까요
우리는 흔히 흙에서 왔으니까 흙으로 돌아간다고 말합니다
그렇다면 우리가 흙이라고 부르는 이 땅을 구성하고 있는 수많은 원소들은 어디서 만들어지는 걸까요
이 글에서는 그 질문에 대하여 탐구해 보고자 합니다
빅뱅 이전과 이후의 우주
우주의 시작이라고 일컬어지는 빅뱅 이 전, 우리가 보고 있는 저 밤하늘의 우주는 아직 형태를 갖추지 못한,
입자와 반입자 상태를 오가던 쿼크, 글루온, 전자라는 입자를 잠재적으로 품고 있는 순수한 에너지이자 파동이었다고 합니다
그러던 중 어느 한순간, 에너지의 미세한 불균형이 일어나면서 에너지들이 한 점으로 응축되기 시작하였습니다
그리고 곧이어 그 한 점은 급격하게 팽창하기 시작하였고, 이때의 온도는 우리가 상상할 수 없을 정도로 뜨거웠으며,
이 속에서 에너지들은 격렬하게 요동치며 활발한 운동을 이어갔습니다
하지만 곧 이어 온도가 식기 시작했습니다
그러자 원래 안정과 질서를 향하는 성향을 가진 에너지들은 스스로 안정되기 시작하였고, 에너지끼리 뭉치며 구조를 이루어가기 시작하였습니다
그리고 이 과정에서 에너지 속에 잠재되어 있던 입자와 반입자가 표출되기 시작하였습니다
그리고 서로 부딪치며 충돌하였으나 입자는 +전하를 띠었고, 반입자는 -전하를 띠었기 때문에 둘이 만나면 대부분은 소멸되어 에너지로 돌아가버렸습니다
그러나 그중에서 반입자보다 양이 조금 더 많아서 -반입자에 의하여 상쇄되지 않은 +을 띤 입자들이 남게 되었는데 그것이 바로 우주에서 처음으로 나타난 물질의 씨앗, 쿼크와 전자입니다
그리고 시간이 흐르며 온도가 더 낮아지자, 더 안정된 구조를 갖기 원하는 쿼크들이 서로 결합하여 양성자와 중성자가 되었고, 양성자와 중성자도 서로 결합하여 보다 안정적인 구조를 가진 원자핵이 되었습니다
그리고 우주의 온도가 조금 더 내려가자 높은 온도에 가장 민감한 전자들조차도 안정되어, +전하인 원자핵에 이끌려 그 주위를 돌게 되었습니다 이렇게 해서 처음으로 원자라는 물질이 탄생하게 되었습니다
(전자들과 부딪쳐서 자신의 경로로 가지 못하였던 빛(광자)이 전자가 안정적인 자기 궤도를 찾으면서 비로소 막힘없이 자신의 길을 갈 수 있게 되면서 오늘날 우리가 사는 지구에까지 긴 파장으로 올 수 있게 된 것입니다)
별이 빛나는 이유-핵융합과 원소의 탄생
이때 가장 먼저 만들어진 원자는 수소였습니다 수소는 양성자 1, 전자 1인 가장 단순한 물질입니다
시간이 흐르면서 우주의 온도가 점점 내려가면서 전체적으로 안정된 상태가 되었지만, 그 속에서도 여전히 에너지가 밀집된 영역들이 곳곳에 존재했습니다
이 밀도가 높은 영역들은 중력에 의해 주변의 수소원자들을 끌어당기기 시작했습니다
그렇게 수소 원자들이 점점 한 곳으로 모이자, 그 중심부의 압력과 온도는 점점 높아져갔습니다
그리고 온도가 일정 수준 이상으로 올라가자, 수소원자핵들은 서로 결합하여 헬륨을 만들어내기 시작하였습니다
그런데 양성자끼리는 서로 밀어내는 성질이 있는데, 양성자 1, 전자 1인 수소의 양성자들은 어떻게 결합할 수 있었을까요
그것은 바로 환경의 영향 때문이었습니다
일반적인 온도와 압력에서는 양성자끼리는 서로 밀어내지만, 별의 중심부는 엄청난 압력과 수백만~수천만 도의 온도이기 때문에 이러한 극한 환경에서는 입자들의 운동에너지가 엄청나게 커서 양성자들의 전기적으로 밀어내는 힘을 입자들의 운동에너지로 이겨낼 수 있다고 합니다
그 결과, 수소원자핵들은 서로 결합하여 헬륨과 같은 더 무거운 원자핵을 만들어내었습니다
이 과정을 핵융합이라고 하는데, 융합이 끝나고 나면 원자들이 보다 안정된 구조가 되었기 때문에 여분의 에너지가 남습니다 이 여분의 에너지를 빛과 열의 형태로 방출하는데, 이때 별의 중심이 강하게 빛납니다
우리가 밤하늘에서 빛나는 별을 볼 수 있는 것은 바로 이러한 여분의 에너지의 방출 때문입니다
처음 핵융합이 될 때는 대부분 수소에서 헬륨이 만들어지는 과정이었지만, 계속 핵융합이 될수록 점점 더 무거운 원소들이 만들어지는데 우리가 잘 아는 탄소, 산소, 질소, 철 들입니다
별의 중심부의 온도와 압력이 높으면 높을수록, 더 무거운 원소들이 합성될 수 있다고 합니다
별의 창고-- 원소들이 쌓이는 방식
그런데 별은 자신이 만드는 원소들을 어디다가 쌓아놓는 걸까요
별의 초기단계에서는, 중심부에 밀집되어 있는 수소들이 핵융합을 시작하면서 헬륨이 만들어집니다
헬륨은 수소보다 무겁고 안정적이기 때문에 자연스럽게 중심으로 가라앉습니다
시간이 지나 수소가 거의 다 소모되면, 이제 중심에 쌓인 헬륨끼리 핵융합을 하여 헬륨보다 무겁고 안정적인 탄소를 만들어냅니다
그렇게 탄생한 탄소는 다시 중심부를 차지하고, 헬륨은 그보다 바깥쪽으로 밀려나갑니다
이 과정이 반복되면서 별 내부에는 층으로 된 구조가 형성되어서 가장 중심에는 무거운 철이 자리하고, 그 바깥으로 규소, 산소, 탄소, 헬륨, 수소 순으로 층층이 쌓이게 됩니다
그렇지만 별이 핵융합을 하며 무한정 계속 원소들을 만들어 쌓는 것은 아닙니다
철이 만들어지는 순간 상황은 달라집니다
왜냐하면 핵융합을 하는 이유는 더 안정된 원자핵을 만들기 위함이고, 이때 남은 에너지를 밖으로 방출함으로써 별이 유지되는 것인데, 철은 이미 가장 안정된 상태이기 때문에 핵융합을 하지 않습니다
오히려 핵융합을 하면 자신의 에너지를 소모시켜야 합니다
그래서 철이 중심을 차지한 후부터는 별의 중심에서 더 이상 핵융합이 일어나지 않으므로 별의 중심을 지탱해 줄 에너지가 사라지게 됩니다
그러면 별은 자신의 무게를 이기지 못하고, 중심으로 붕괴되며 엄청난 폭발을 하는데 이것이 초신성입니다
초신성의 폭발로 별은 자신이 평생 동안 만들어놓은 자원들을 우주에 흩뿌리며 사라지는데, 마지막 폭발을 하는 중에 별은 다시 한번 핵융합을 하는데 이때 금, 은, 우라늄과 같은 원소들이 만들어지기도 합니다
결국 우리가 숨 쉬는 공기 속의 산소, 몸을 이루는 탄소, 그리고 지구의 모든 원소들은 바로 우리가 동경하며 바라보았던 밤하늘의 별에서 온 것이었습니다
마무리
우리는 별에 대한 동경이 있습니다
우리는 이것을 막연히 우주에 대한 동경, 그리고 어두운 밤하늘을 아름답게 수놓고 있는 별에 대한 감성쯤으로 생각하였습니다
그러나 우리를 이루는 아주 작은 세포 하나하나가 모두 저 밤하늘의 별이 만들어놓은 원소들로 이루어졌다고 생각하니까, 왠지 아련한 느낌이 드는 것 같습니다
우리는 누구나 자신이 태어난 곳을 잊지 못합니다
그렇다면 밤하늘의 별을 바라볼 때, 느껴지는 동경은 혹시 나의 근원을 만들어준 곳에 대한 숨어있는 그리움은 아니었을까요