칼 세이건 코스모스(9): 별들의 삶과 죽음

 

  시간과 공간이 얽혀 있는 우주, 그곳을 가득 채우고 있는 수많은 별들은 어떤 삶을 살아갈까요? 별들과 행성들도 생성과 소멸의 삶을 살아간다니 놀랍고 무척 궁금해집니다. 우주에 있는 모든 존재는 생성과 소멸을 하는 시스템이라면 우주 역시 그렇지 않을까요? 우주가 전부인 줄 알고 살아가지만 정말 다중우주가 존재하며 인간이 상상하기에는 터무니없이 버거운 우주의 시간이 적용되어 우주도 탄생과 소멸의 역사가 있고 결국 우리는 살아남아 존재하기 위해 지구를 탈출해야 할 뿐 아니라 우리가 속한 우주가 소멸되기 전에 다른 우주로 건너가야 하는 모험을 해야 하는 것은 아닐까요? 우주는 도대체 우리에게 얼마나 많은 상상을 요구하는 것인지 모르겠습니다. 정말 믿을 수 없는 공간 속에 너무나 연약한 존재인 인간이 무모해 보이지만 조금씩 실현시켜 내고 있는 도전을 계속하고 있습니다. 상상 그 이상의 존재인 우주는 인간의 심장을 뛰게 하고 흥분하게 만들기에 충분한 것 같습니다. 정말 오래 살고 싶게 만듭니다.

 

  

 

  자 이제 칼 세이건이 들려주는 우주 이야기에 집중해보겠습니다.  9장에서는 항성, 별의 인생을 들려줍니다. 우선 별이 어떤 존재인지 알기 위해 무엇으로 이루어져 있는지를 설명해줍니다. 1803년 존 돌턴이 주장했던 원자설이 1910년 영국 케임브리지 대학에서 원자의 정체가 최초로 밝혀졌습니다. 원자에는 원자 핵이 10만분의 1 정도의 크기로 존재하고 있으며 이 원자핵보다 10만분의 1 크기의 전자가 원자 핵 주위를 돌아다니고 있습니다. 그러니 물질은 대부분 속이 텅 빈 쭉정이였던 것입니다. 사람 1명에 비어있는 공간을 모두 없애면 소금하나 정도의 크기가 됩니다. 이렇게 엉성하게 비어 있는데 세상의 물질들은 어떻게 저마다의 모양을 지탱하면서 존재할까요? 아서 에딩턴은 음전하들이 서로 밀어내는 강력한 척력 때문이라는 사실을 밝혀냈습니다. 그리고 물리학자들은 양성자와 중성자 같은 소립자들을 구성하는 더 근본적인 알갱이, 쿼크를 발견합니다. 이렇게 끊임없이 무한소의 문제와 씨름하게 되는 존재의 근원 찾기는 얼마나 더 쪼개기를 해야 그 끝에 도달할 수 있을까요? 우리는 과연 가장 근본이 되는 입자의 세계를 밝혀낼 수는 있을까요?  

  모든 물질의 근원이 무엇인지 들여다 보았으니 별이 무엇으로 이루어져 있는지, 우주가 무엇으로 이루어져 있는지 이해할 수 있게 되었을 것입니다. 이 원자들은 전자의 개수에 따라 화학적 성질이 결정되며 양성자와 전자의 개수가 화학적 특성을 확정합니다. 화학은 결국 숫자 놀음입니다. 원자 핵은 중력도 전자기력도 아닌 핵력을 가지고 있어서 중성자와 양성자를 함께 붙잡아 두고 있습니다. 간단한 핵에서 복잡한 핵이 되려면 양성자와 중성자를 첨가하면 되는데 이때 필요한 조건이 바로 엄청난 고온상태입니다. 태양의 내부 온도는 1570만 도에 이른다고 합니다. 이렇게 뜨거운 고온의 조건에서 핵융합 반응이 일어나고 그 결과로 빛이 생성됩니다.  내부 온도가 1000만 도에 이르면 수소 원자 4개가 만나서 헬륨 핵 하나를 만드는 핵융합 반응이 전개되는데 이때 발생하는 에너지가 감마선의 빛으로 나타납니다. 이 감마선이 주위 물질에 흡수되었다가 방출되는 것을 반복하면서 낮은 에너지의 광자로 변하고 이것이 가시광선의 광자가 됩니다. 태양은 고온도 고압을 50억 년 동안 유지하며 지구의 생명이 번성하도록 만들었습니다.

 

 

  이런 태양, 즉 항성들은 어떻게 생겨날까요? 최초의 빅뱅이 일어난 후 별들이 생겼고 그 별들 중에서 초신성이 된 별이 폭발을 하면 그때 발생한 충격파가 성간 물질에 전해지면 성간운의 밀도가 증가하게 됩니다. 그 결과로 새로운 별이 탄생하게 됩니다. 먼저 태어난 별의 소멸이 새로운 별의 탄생을 가져옵니다. 지구의 생태계 시스템과 같습니다. 우주 전체의 시스템이 같다니... 정말 우주는 하나였나봅니다. 

  이렇게 새롭게 탄생하게 된 별은 수소핵융합 반응을 영원히 지속할 수 없습니다. 그리고 별들은 각자가 보유한 질량에 따라 별의 최후가 결정됩니다.  우주의 은하에서는 평균 100년에 한 번 초신성이 폭발합니다. 100억 년의 은하는 1억 개의 별이 폭발했을 것입니다. 그런데 모든 별, 항성이 초신성 폭발을 일으키는 것이 아닙니다. 초신성 폭발의 전제 조건은 규소의 핵융합으로 철의 중심핵이  만들어져야 한다는 것입니다. 별의 중심핵이 내파되면 이에 중심을 향해 돌진하던 외부는 중심핵에서 바깥으로 튕겨져 격렬하게 외파하며 폭발하게 됩니다. 초신성이 폭발할 때의 빛이 은하의 모든 빛을 합한 것보다 밝다고 합니다. 이때 가지고 있던 대부분의 질량은 우주 공간으로 방출됩니다. 폭발 중심에는 뜨거운 중성자별 하나가 거대한 원자핵이 되어 빠른 속도로 자전합니다. 태양 규모의 별들은 적색 거성의 단계를 거쳐 백색왜성으로 생을 마감합니다. 태양보다 2배 큰 질량을 가진 별은 초신성 폭발을 거쳐 중성자별을 남기며 생을 마무리합니다. 그리고 이보다 훨씬 큰 별의 경우 초신성으로 폭발하고도 남은 질량이 태양의 다섯 배 이상이 잔존하게 되고 자체 중력이 블랙홀을 만들어냅니다. 엄청난 중력은 직진하는 빛마저 흡수해 버립니다. 1783년 영국의 천문학자 존 미셀이 최초로 블랙홀을 생각했는데 당시부터 최근까지도 주목 받지 못한 기상천외한 아이디어로 취급받았습니다. 하지만 아인슈타인이 블랙홀을 신축성 뛰어난 천으로 비유하였고 블랙홀의 정체가 서서히 밝혀지면서 세계는 이제 블랙홀을 의심하지 않고 있습니다. 

  이렇게 별의 최후는 가지고 있는 질량에 따라 다른 최후를 맞이하며 우리와 직접적인 태양의 미래를 한 번 예상해 보겠습니다. 수소 핵융합 반응이 끝나가면 헬륨의 핵융합 반응이 시작됩니다. 수소가 타고 남은 재에 불과했던 헬륨에 다시 불이 붙는 것입니다. 외부에서는 수소가 타고 내부에서는 헬륨이 연소 중인 상태의 태양은 큰 변화를 겪을 수밖에 없는 상태에 놓이게 됩니다. 외부가 급격히 팽창하며 그에 따라 온도는 내려갑니다. 태양은 이제 적색 거성이 되어 있습니다. 태양의 바깥 대기층은 항성풍의 형태로 흩어져 수성과 금성을 집어 삼켜 버리고 지구까지 태양 안으로 빨려 들어가버릴 것입니다. 지구 최후의 날은 이렇게 수십 억 년 후에 우리에게 찾아올 것입니다. 이와 같이 내행성계를 모두 소멸시킨 태양은 서서히 식으면서 수축하다가 백색 왜성으로 변할 것입니다.  그나마 남아 있던 온기를 복사로 다 잃고 결국 흑색 왜성이 되어 우주에서 빛을 잃게 될 것입니다. 스티븐 호킹이 연약한 지구에서 너무 늦지 않게 탈출하라고 한 이유를 알 것 같습니다. 우리 지구의 운명은 결국 태양이 가지고 있는 것이었습니다. 물론 이런 최후를 맞이하기 전에 지구의 변화로 모든 생명체가 사라질 수도 있습니다. 모든 물질은 별에서 나왔고 각자에게 주어진 인생을 살다가 다시 우주로 돌아갑니다.

 

 

 

  과거의 조상들 중 태양을 신으로 믿었던 이들이 있었는데 이제 보니 어느 정도 타당해 보입니다. 그리고 거대한 블랙홀은 우주의 공간을 비틀기도 하고 휘어지게 해서 입구와 출구를 만들 수도 있다는 상상을 합니다. 그래서 아직 존재를 증명하지는 못했지만 웜홀의 존재 가능성에 대해서도 제법 진지하게 논의되고 있습니다. 우주가 얼마나 초현실적이며 우리의 상상력을 얼마나 폭넓게 만들어 주는지 모릅니다. 생각하고 상상할 수 있는 인지능력을 가진 인간에게 우주는 최고의 놀이터가 아닐까 생각합니다.