코스모스 — 우리 몸의 원소는 별의 내부에서 만들어졌다는 사실을 다루는 책
지구과학 · 별과 우주의 진화 · 천문학
책 소개
천문학자이자 과학 커뮤니케이터였던 칼 세이건이 우주의 탄생부터 별의 일생, 생명의 기원까지를 한 줄기로 풀어낸 과학 교양서의 고전입니다. 저자는 138억 년에 이르는 우주의 역사 속에서 인간이 어디쯤 있는지를 차분히 짚어 갑니다. 그 가운데 가장 자주 되풀이되는 이야기가 '우리 몸을 이루는 원소는 별의 내부에서 만들어졌다'는 것입니다. 별을 좋아하는 마음에서 천문학을 시작한 학생이, '내 몸의 원소는 어디서 왔는가'라는 의문으로 탐구를 시작하기 좋은 책입니다.
책에서 가장 널리 알려진 구절은 '우리는 별의 먼지로 만들어졌다(We are made of star stuff)'는 말입니다. 저자는 우주가 처음 만들어졌을 때는 수소와 헬륨 같은 가벼운 원소만 있었고, 탄소·산소·철처럼 우리 몸과 지구를 이루는 무거운 원소는 별의 내부에서 핵융합으로 만들어졌다고 설명합니다.
무거운 별이 일생을 마치며 폭발할 때 이 원소들이 우주 공간으로 흩어지고, 그 물질이 다시 모여 새로운 별과 행성, 그리고 생명을 이룬다는 것입니다. 저자는 이 과정을 통해 인간이 우주와 따로 떨어진 존재가 아니라 우주의 일부라는 점을 거듭 강조합니다.
별은 일생 동안 모습을 바꾸는데, 이 과정을 별의 진화라고 합니다. 별은 중심부에서 수소 원자핵이 합쳐져 헬륨이 되는 수소 핵융합 반응으로 스스로 빛과 열을 냅니다.
이렇게 중심부에서 수소 핵융합이 일어나는 동안의 별을 주계열성이라고 하며, 태양도 여기에 속합니다. 중심부의 수소를 다 쓰고 나면 별은 부풀어 거성이 되고, 그 뒤의 경로는 질량에 따라 갈립니다. 태양 정도의 별은 행성상 성운을 남기고 백색왜성으로 식어 가지만, 태양보다 훨씬 무거운 별은 초신성 폭발로 생을 마칩니다.
별의 중심부에서는 핵융합으로 점점 무거운 원소가 만들어지는데, 핵융합으로는 철까지만 만들어지고, 철보다 무거운 금이나 우라늄 같은 원소는 초신성이 폭발하는 과정에서 만들어집니다. 이렇게 흩어진 원소는 성간 물질이 되어 다음 세대 별의 재료가 됩니다.
우리 몸의 원소는 정말 별에서 왔을까요? 지구과학에서 배우는 별의 진화로 그 과정을 단계별로 설명할 수 있습니다.
우주가 처음 만들어졌을 때는 수소와 헬륨밖에 없었으므로, 우리 몸을 이루는 탄소·산소·질소 같은 원소는 어딘가에서 새로 만들어졌어야 합니다. 별은 중심부에서 가벼운 원자핵을 합쳐 더 무거운 원자핵을 만드는 핵융합으로 빛을 내는데, 이때 헬륨에서 탄소로, 다시 산소로 점점 무거운 원소가 만들어집니다. 다만 핵융합으로 에너지를 낼 수 있는 것은 철까지이고, 그보다 무거운 원소는 무거운 별이 초신성으로 폭발하는 짧은 순간에 만들어져 우주 공간으로 퍼집니다. 이렇게 별의 내부와 초신성 폭발에서 만들어진 원소가 성간 물질로 흩어졌다가 다시 모여 새로운 별과 행성, 그리고 생명을 이룬 것입니다. 그래서 '우리는 별의 먼지로 만들어졌다'는 말은 비유가 아니라, 원소가 별에서 만들어졌다가 순환한다는 사실을 그대로 표현한 것입니다.
우리 몸을 이루는 원소가 별에서 왔다는 말은, 원소가 우주에서 한 번 만들어지고 끝나는 것이 아니라 별을 거쳐 순환한다는 뜻입니다. 우주 초기에는 가장 가벼운 수소와 헬륨만 있었기 때문에, 더 무거운 원소는 별의 중심부에서 새로 만들어져야 했습니다.
별의 중심부는 온도와 압력이 매우 높아 가벼운 원자핵들이 합쳐지는 핵융합이 일어나고, 그 결과 수소에서 헬륨, 헬륨에서 탄소와 산소로 점점 무거운 원소가 쌓입니다. 그런데 철은 핵융합으로 에너지를 더 낼 수 없는 한계여서, 무거운 별의 중심부에 철이 쌓이면 별은 자기 무게를 버티지 못하고 무너지며 초신성으로 폭발합니다. 이 폭발의 짧은 순간에 철보다 무거운 금·은·우라늄 같은 원소가 만들어지고, 동시에 그동안 별이 만든 원소들이 우주 공간으로 흩뿌려집니다.
흩어진 원소는 성간 물질이 되었다가 중력으로 다시 모여 새로운 별과 행성을 이루고, 그 행성에서 생명이 태어납니다. 이 책에서 본 '우리는 별의 먼지'라는 말을 출발점 삼아, 우리 몸에 많은 탄소나 산소가 어떤 질량의 별에서 어떤 단계를 거쳐 만들어지는지를 별의 진화라는 관점에서 탐구할 수 있습니다.