우주의 탄생, 별의 성장, 원소의 진화

1. 138억 년 전, 알 수 없는 이유로 시작된 거대한 대폭발 '빅뱅'

 

 

2. 우주의 탄생과 동시에, 시간과 공간이 생겨났다.

 

 

3. 탄생 시점에는 극도로 뜨겁고 밀도가 높은 상태였다.

 

 

4. 초기 우주의 구성은 쿼크, 글루온, 전자 등의 입자들로 이루어진 플라즈마였다.

 

 

5. 시간이 흐르고, 우주 공간은 팽창되며 온도가 점점 식게 된다.

 

 

6. 우주의 온도가 점점 식으며 10억 켈빈(10⁹ K) 정도로 내려갔다,

 

 

7. 대부분의 물질은 양성자(수소 원자핵) 상태로 남아있었다.

 

 

8. 우주 온도가 약 3000K까지 낮아지면서 전자가 원자핵에 결합할 수 있게 되었다.

 

 

9. 이 시기에 양성자가 전자와 결합하며 수소 원자가 형성되었다.

 

 

10. 진공 상태에서도 일부 에너지가 변화하는 양자 요동 현상에 의해 밀도가 상대적으로 높은 부분이 생겨났다.

 

 

11. 밀도가 높아진 부분은 밀도가 낮은 주변부를 끌어당기기 시작한다.

 

 

12. 이 끌어당기는 힘을 중력이라고 한다.

 

 

13. 중력은 수소가 떠다니던 가스 구름을 계속 끌어당긴다.

 

 

14. 밀도가 계속 높아졌고, 중심부 압력 증가로 인해 온도도 높아졌다.

 

 

15. 온도와 압력이 높아지자, 핵융합이 일어날 조건이 완성된다.

 

 

16-1. 두 개의 수소 원자핵(양성자)이 충돌하여 중수소(중성자와 양성자를 포함한 수소 동위원소)를 형성하며 중성미자와 에너지가 방출된다.

 

 

16-2. 중수소와 또 다른 수소 원자핵이 결합하여 헬륨-3을 형성한다.

 

 

16-3. 두 개의 헬륨-3 원자핵이 결합하여 헬륨-4를 만들고, 이 과정에서 추가적인 에너지가 방출된다.

 

 

17. 핵융합 반응을 통해 생성된 막대한 양의 에너지는 빛과 열을 낸다.

 

 

18. 이 상태의 물질을 '별'이라고 한다.

 

 

19-1. 핵융합이 시작되면 별 내부에서 방출되는 에너지가 별의 중력 붕괴를 막는 역할을 한다.

 

 

19-2. 별 내부의 방사압(내부에서 바깥으로 밀어내는 힘)과 중력(안으로 끌어당기는 힘)이 균형을 이루는 상태를 수지평형(Hydrostatic Equilibrium)이라고 한다.

 

 

19-3. 이 균형 상태에 도달한 별은 본격적으로 주계열성(Main Sequence Star) 단계에 들어선다.

 

 

20. 주계열 단계에서는 수소 핵융합이 지속적으로 이루어지며, 별은 밝게 빛나고 안정적으로 존재한다.

 

 

21. 별의 질량에 따라 주계열 단계에서의 수명은 달라지며, 질량이 큰 별은 에너지를 더 빨리 소모하고, 작은 별은 더 오랜 시간 동안 에너지를 방출한다.

 

 

22. 별이 더 오래되고 중심부의 수소가 고갈되면, 헬륨이 연료로 사용된다. 헬륨은 삼중 알파 과정(triple-alpha process)을 통해 탄소와 산소로 변환된다.(헬륨 핵융합, He → C, O) 주로 질량이 태양보다 큰 별에서 일어난다. 

 

 

23. 헬륨이 소진된 후, 더 높은 온도와 압력에서 탄소와 산소가 융합하여 네온(Ne), 마그네슘(Mg)과 같은 더 무거운 원소를 생성한다. (탄소 및 산소 핵융합, C, O → Ne, Mg 등)

 

 

 

 

 

24. 별의 중심부가 극도로 뜨거워지면 네온, 마그네슘, 실리콘(Si) 등이 융합하여 점차 철(Fe)까지 생성된다. 철은 핵융합으로 에너지를 방출하지 못하는 원소로, 이 단계에서 별의 에너지 생성이 급격히 감소한다. (철의 생성, Ne → Fe)

 

 

25. 중심부가 철로 가득 차면 더 이상 핵융합 반응이 일어나지 않아 중력이 중심을 붕괴시킨다. 이로 인해 초신성(supernova) 폭발이 일어나고, 이 과정에서 니켈(Ni), 금(Au), 우라늄(U) 등 철보다 더 무거운 원소들이 생성된다. 초신성 폭발은 우주에 다양한 원소를 흩뿌리게 된다.

 

 

26. 태양보다 작은 별에서는 헬륨 이상으로 융합이 진행되지 않고 백색왜성으로 진화한다. 태양보다 훨씬 큰 별은 초신성 폭발 이후 블랙홀이나 중성자별을 형성한다.

 

 

27. 별의 중심부에서 원소는 핵융합 반응과 초신성 폭발을 통해 점차 성장하며, 우주에 원소를 공급하는 주요 과정 중 하나를 담당한다.

 

 

빅 뱅 이후 138억 년, 지구는 탄생 이후 46억 년이 지났다. 지구가 탄생하기 전까지 우주의 여러 곳에서 별의 탄생과 죽음들이 진행되었고, 덕분에 지구에서도 철, 금, 우라늄 등 무거운 원소들이 함께 발견되고 있다.