우주포탈

물질의 기원 

“우주 창조의 시간에 수소와 헬륨이 만들어 졌지만 나머지 무거운 원소들은 어떻게 만들어 졌을까? 이 문제에 대한 완벽한 대답을 해낸 사람은 정상 우주론자인 호일 이었다. 정상우주론에서 이 문제의 해결은 중요한 과제 였다.

각 원소들이 핵 융합을 하여 다른 원소로 태어나기 위하여는 각각 서로 다른 온도를 필요로 했다. 수소가 헬륨으로 변하려면 4천만도가, 네온이 합성되기 의하여는 30억도가, 실리콘이 형성 되려면 130억도가 필요하다.

호일은 이 무거운 원소들이 죽어가는 별들에서 생성되는 과정을 설명 했다.

중력과 외부로 향하는 압력이 평형을 이루고 있는 별에서 수소 연로의 감소로 별의 온도가 식어가면 바깥 쪽으로 향하는 압력이 줄어들고 중력의 힘이 커질 것이다. 이 중력의 힘은 별을 수축하게 할 것이고 이 내부로 향한 붕괴 때문에 별의 내부 온도는 올라가고 별은 수축을 잠시 중단하게 된다. 이런 과정을 여러 번 계속 함에 따라 여러 온도의 상황이 설정되고 그 때마다 각각의 원소가 형성된다. 끝내는 이 별이 붕괴되어 이별의 잔해들이 우주를 떠 다니다가 새로운 별을 형성함으로 무거운 원소를 지닌 별이 탄생하는 것이다.

별들이 죽어 새로운 제 2세대 별을 형성하여 그 별의 구성 원소는 무거워지고 다시 그 과정을 반복함으로 제 3세대 별이 생성한다. 태양계는 제 3세대 별에 속한다.

호일은 헬륨이 융합하여 탄소가 되는 과정을 순전히 이론으로 정립하고 버클리에 있는 캘리포니아 공대의 윌리암 파울러 교수로 하여금 이를 증명하게 한다. 파울러 교수는 이를 증명하고 1983년 노벨 물리학 상을 받는다. 이로서 무거운 원소들의 생성 과정의 비밀도 밝혀졌다.

빅뱅을 다시 간단히 요약하면 모든 질량과 에너지가 한 점에 집중되어 있었고 그 다음에 빅뱅이 있었다. 빅뱅은 공간에서의 폭발이 아니고 공간의 폭발로 시간과 공간이 빅뱅의 순간에 창조 된 것이다. 최초 수 분 안에 수소와 헬륨이 형성 되었고 우주는 팽창을 계속 하여 식으면서 대략 30만년이 지나 여러 원자를 형성 하였다. 이 시점에 빛의 산란이 없어지며 직진 함으로 우주 배경 복사가 되었다.

우주에 평균보다 약간 더 밀도가 높은 지역이 있어서 이 지역이 질량을 끌여 들여 대략 10억년쯤에 첫 번째 별과 은하를 만들었다. 별의 내부에서 시작된 핵 반응은 중간 크기의 원소를 만들었고 무거운 원소들은 죽어가는 별들의 내부에서 만들어 졌다. 이 원소들 덕에 생명체가 생겨 진화 할 수 있게 되었다. 그리고 150억년이 되어서야 오늘 날의 인류가 있게 되었다."

(출처:  http://blog.daum.net/towmoon/4132189     )

(Big Bang, the origin of the universe, simon singh, Harper Perennial, new york-london-toronto-sydney, 2005) 필자가 가지고 있는 책의 요약 

"프레드 호일(Fred Hoyle)의 핵 합성 조건 계산

프레드 호일(Fred Hoyle)이 어떻게 핵 합성(nucleosynthesis)이 발생하는지 보기 위하여 다른 별들의 삶의 단계에서의 별들의 내부에서의 조건들을 계산했다. 아래 표는 우리의 태양보다 대략 25배 질량이 더 큰 별의 내부에서 일어나는 핵 합성 반응을 보여준다. 이런 무거운 별은 통상적인 별들과 비교해 보았을 때 아주 짧은 수명을 가지고 있다. 처음에는 별들은 수소를 헬륨으로 융합하는 데 몇 백만 년을 사용한다. 온도와 압력이 별들의 삶의 끝부분 동안 상승하고, 그리고 산소, 마그네슘, 실리콘, 철과 다른 원소들의 핵 합성을 허용한다. 여러 종류의 더 무거운 원자들이 마지막의 그리고 가장 격렬한 단계 동안 생성된다."

(출처: Big Bang, the origin of the universe, simon singh, Harper Perennial, new york-london-toronto-sydney, 2005, p.388 필자의 번역)