밤하늘의 별들이 빛나는 이유에 관해서

1. 태양 안에서 핵융합이 일어나지 않았다면, 지금처럼 태양이 빛날 수 있을까?

잠시 동안 태양은 핵융합 없이도 빛날 수 있다. 처음에 태양은 많은 양의 물질이 중력의 공통 중심으로 떨어지면서 형성되었다. 물질이 압축되어 가스가 밀집된 구형으로 뭉치면서 아주 뜨거워져 열과 빛을 방출했다. 다시 말해 태양은 핵융합이 시작되기 전부터 빛나기 시작했다. 만약 태양 안에서 핵융합이 일어나지 않았다면, 태양의 가스가 붕괴되고 압축되면서 에너지를 생성하기를 계속할 것이며 이런 일은 태양이 한 점으로 축소될 때까지 계속될 것이다.

 이러한 방법에 의한 에너지의 생성은, 19세기의 윌리엄 톰슨 켈빈 경과 헤르만 폰 헬름홀츠에 의해 처음 계산되었다. 그 결과는 태양을 현재의 광도로 수백만 년간 빛날 수 있게 한다는 것이다. 그러나 이 에너지는 태양이 46억 년 동안 빛날 만큼 충분하지 않다. 만약 핵융합이 일어나지 않았다면, 태양계는 지구상에 최초의 생명체가 나타나기도 한참 전에 어둠 속에 잠겼을 것이다.

 

1. 태양의 대류층에서는 무슨 일이 일어나는가?

 태양의 대류층은 태양 표면으로부터 15만 km 깊이에서 시작된다. 대류층에서는 플라스마 안의 원자가 바깥 복사층에서 들어오는 광자를 흡수할 정도의 온도로 충분히 낮춰지는데 대략 100만 K 이하이다. 플라스마는 매우 뜨거워지며 태양의 상층부로 떠오르기 시작한다. 플라스마의 운동은 대류의 흐름을 생성하는데, 이는 마치 지구의 대기나 바다에서 일어나는 현상처럼 태양 에너지를 뜨거운 가스로 끓는 광구로 운반하는 역할을 한다.

 이것이 대류가 일어나는 원리다. 대류층 바닥에서 에너지를 흡수한 가스의 온도가 올라갈수록 가스는 팽창하여 결과적으로 주변보다 밀도가 낮아진다. 이런 뜨거운 가스 덩어리들은 밀도가 낮기 때문에 대류층 표면으로 떠오르는데 마치 뜨거운 열기구가 차가운 아침 공기 위로 떠 오르는 것과 같다. 이 층 꼭대기에서는 초과된 에너지가 방출되어 온도가 낮아져서 밀도가 높아지므로 다시 대류층 아래로 가라앉는다. 이러한 효과는 뜨거운 가스는 위로 올라가고 차가운 가스는 밑으로 내려가는 '컨베이어 벨트'와 같은 연속적인 순환이 된다.

 

2. 태양의 복사층에서는 무슨 일이 일어날까?

 태양의 중심에서 핵융합으로 인해 생겨나는 에너지는 복사를 통해 바깥으로 이동한다. 다시 말해 광자들은 태양 플라스마를 통과해 나온다. 비록 광자는 빛의 속도로 이동하지만, 별의 플라스마는 밀도가 높아서 광자들은 랜덤워크라 불리는 불규칙한 양상으로 플라스마 입자들과 충돌하고 퉁겨지면서 빠져나온다. 이러한 충돌 현상은 매우 극단적이어서, 40만 km의 복사층을 지나오는 데 평균 100만 년이 걸린다. 우주의 진공에서는 빛이 이 거리를 진행하는 데 2초도 걸리지 않는다.

 

3. 태양의 코로나에서는 무슨 일이 일어나는가?

 코로나(corona)는 아주 희박하면서도 매우 거대한 가스층으로, 별의 광구와 채층으로부터 약 1600만 km의 거리까지 확장된다. 이 층은 태양의 나머지 부분보다 더 희미하기 때문에 코로나그래프라 불리는 과학 장비를 통하거나 자연적으로 일어나는 일식 때와 같이 태양이 시야에서 가려졌을 때만 관측이 가능하다.

 비록 이 층은 지구의 실험실에서 얻을 수 있는 최고의 진공보다 더 희박하고 또 태양의 중심핵으로부터 상당히 멀리 떨어져 있지만, 코로나는 매우 활동적이고 뜨거워서 플라스마의 온도는 100만 도까지 올라간다. 천문학자들은 여전히 코로나가 어떻게 그처럼 뜨거워질 수 있는가에 대한 연구를 계속하고 있다. 최근의 연구는 일반적으로 혹은 짧은 시간 동안 형성되었다가 다시 사라지는 특별한 열점에 의해 태양 주변과 내부에 있는 강한 전류와 자기장이 엄청난 양의 에너지를 코로나에 전달하고 있음을 시사하고 있다.

 

 

4. 별들이 빛나는 이유는 무엇일까?

 별들은 내부의 핵에서 일어나는 핵융합 때문에 빛난다. 핵융합은 가벼운 원소를 무거운 것으로 바꾸는데, 이 과정에서 엄청난 양의 에너지를 방출한다. 지구상에서 가장 강력한 핵무기는 핵융합을 통해 만들어졌지만, 이는 태양의 핵융합에 비하면 아주 보잘것없는 양이다.

 

5. 별 속에서 핵융합은 어떻게 일어날까?

 원자핵은 아무렇게나 임의로 결합될 수 없다. 오히려 소수의 특정 핵융합 반응만 일어날 수 있고, 이러한 핵융합조차 매우 극한적인 환경에서 일어난다. 태양의 핵의 온도는 섭씨 1500만 도를 넘고, 압력도 지구 대기압의 1000억 배를 넘는다. 이러한 조건에서 아주 작은, 10억분의 1보다 작은 확률로 주어진 특정 연도에 양성자가 주변의 양성자와 융합하여 중양자를 형성하게 된다. 중양자 핵 혹은 중수소 핵으로도 알려져 있다. 이후 중양자는 또 다른 양성자와 결합하여 헬륨 ㅡ3 핵을 만들어낸다. 결국 평균적으로 100만 년 혹은 그 이상의 시간이 지난 후에 두 개의 주변 헬륨 ㅡ3 핵이 융합하여 헬륨 ㅡ4 핵을 만들어 내고 두 개의 양성자를 방출한다.

 위와 같은 '양성자ㅡ양성자 연쇄반응'이라 부르는 다단계의 연속 반응을 거쳐 수소는 헬륨 ㅡ4로 바뀌고, 물질 일부는 에너지로 변환된다. 비록 양성자가 중양자가 되는 것은 매우 어려운 일이지만 태양의 핵 안에는 1조×1조×1조 개가 넘는 양성자가 존재하므로 이러한 반응은 매초 일어난다. 그로 인해 에너지로 변환되는 물질의 양은 초당 약 450만 톤이나 되어 태양을 일정한 크기와 형태를 유지하기에 충분한 압력을 바깥으로 가하는 한편 우주공간으로 빛을 방출한다.

 

태양의 코로나