원자와 별과 블랙홀의 탄생

원자와 별과 블랙홀의 탄생

 

원자 세계와 태양계, 우리 은하계를 보면 참 많이 닮았다는 생각이 듭니다.

서로 한 중심을 향해 회전 운동을 하는 비슷한 구조를 가지고 있습니다. 그렇지만 아주 작은 미시 세계인 원자는 조금 다른 모습을 하고 있죠. 구조적인 모습은 비슷하지만, 이 세계는 워낙 작은 세상이다 보니까 물리적 성향이 다르게 존재합니다.

 

전자가 입자성과 파동성을 동시에 갖고 있는 거죠.

학교에서 처음 원자를 공부할 때 우리는 쉽게 이해하기 위해서 태양계와 같은 구조로 표현을 했습니다. 태양을 중심으로 행성이 공전운동을 하듯이 원자핵을 중심으로 전자가 공전운동을 하고 있는 모습으로 그렸죠.

하지만 이것은 실제 원자의 모습과는 거리가 멉니다.

전자는 파동의 성질을 갖고 있기 때문에 전자가 어디에 있다고 그릴 수 없습니다. 전자는 원자핵의 반지름 주위 어딘가에 있을 뿐입니다.

 

그런데 이 원자는 어떻게 탄생했을까요?

원자 중에서 가장 먼저 만들어진 게 수소이며, 두 번째가 헬륨입니다.

수소는 양성자 하나에 전자 하나이고 헬륨은 양성자 둘에 전자가 둘이니까 가장 쉽게 만들어질 수 있는 거죠.

 

우주에서 우리 눈에 보이는 물질 중 약 ¾은 수소이며 나머지 약 ¼은 헬륨입니다. 핵융합을 통해서 헬륨이 생성되려면 우주의 태초 온도가 적어도 1000만℃ 이상이어야 합니다. 따라서 헬륨이 많이 존재한다는 사실은 우주가 처음 시작할 때 엄청나게 고온이라는 증거가 됩니다.

약 150억 년 전 빅뱅에 의해 우주가 탄생한 후 약 3분이 지나면 온도는 1000만℃ 이하로 떨어져 더 이상 핵융합을 할 수 없는 상태에 이릅니다. 그래서 우주에는 헬륨이 약 ¼ 정도 됩니다.

 

그리고 빅뱅 후 약 30만 년이 지났을 때 우주의 온도가 1000℃ 이하로 떨어집니다. 그러면 전자들은 더 이상 자유롭게 활동하지 못하고 모두 수소나 헬륨 원자핵에 붙잡히게 됩니다.

수소와 헬륨 원자의 탄생입니다.

그때까지 전자에 의해 운동을 제한당하던 광자들은 자유로이 운동할 수 있게 되는데,

이때부터 퍼져 나가기 시작한 빛이 바로 오늘날 우리가 관측하는 우주배경복사가 됩니다.

 

그러면, 별은 어떻게 탄생할까요?

별이라고 하면 우리 태양과 같이 핵융합에 의해 스스로 빛을 내는 천체를 말합니다.

별은 대부분 수소원자로 구성된 성간 물질의 중력 수축에 의해서 태어나게 됩니다.

수소원자가 중심 방향으로 중력 수축함에 따라 내부 온도는 서서히 상승하게 되고, 온도가 1만℃에 이르면 대부분의 수소는 이온화되어 수소 원자핵은 더 이상 전자를 붙잡고 있을 수가 없습니다. 그리고 마침내 중심 온도가 1000만℃에 이르면 수소가 헬륨으로 핵융합이 되면서 에너지를 방출하기 시작합니다. 이때부터 별은 스스로 빛을 내기 시작합니다.

헬륨 원자핵은 수소 원자보다 질량이 상대적으로 크기 때문에 별의 중심에 차곡차곡 가라앉습니다. 헬륨이 축적된 별의 중심에서 온도가 1억℃를 훨씬 넘어서면 마침내 헬륨에서 탄소로 핵융합이 일어납니다. 질량이 큰 별에서는 탄소, 질소, 산소로 핵융합이 일어나고 질량이 아주 큰 별에서는 네온, 마그네슘, 철 등으로 핵융합이 일어나기도 합니다.

 

핵융합이 끝나고 더 이상 빛을 낼 수 없는 별은 어떻게 될까요?

별이 노년기에 이르면 핵융합 에너지가 감소함으로서 별은 수축하게 됩니다.

태양보다 질량이 10~30배 정도 큰 별인 초신성은 마지막 순간에 폭발하면서 중성자성으로 남게 되는데요, 여기에서 조금만 더 수축하면 블랙홀이 된다고 합니다.

실제로 태양보다 질량이 30배 이상 되는 별들은 마지막에 블랙홀을 남기는 것으로 알려져 있습니다.

우리 태양도 반지름이 3km로 줄어들 경우 블랙홀이 된다고 합니다.

최근에는 여러 은하의 중앙에서 우리 태양보다 100만배 이상 질량이 큰 블랙홀들이 존재한다는 사실이 밝혀졌습니다.

우리 은하만 봐도 천억 개의 별과 훨씬 더 많은 천체들을 가지고 있는데, 이것을 모두 잡고 있기 위해서는 은하의 중심에 엄청난 중력을 가진 블랙홀이 아니면 불가능 하다는 생각이 듭니다.