무엇이 태양을 그렇게 빛나는 게 할까?

태양의 중심부 깊은 곳에는 충분한 양의 양성자가 충분한 속도로 서로 충돌하여 헬륨 핵이라는 것을 형성하고 동시에 엄청난 양의 에너지를 생성할 수 있어서 태양은 그렇게 밝게 빛날 수 있습니다. 

이런 과정을 핵융합이라고 합니다. 매초 태양과 같은 별은 핵융합 과정을 통해 400만 톤의 물질을 열과 빛으로 변환하고 있습니다. 

 

자세한 설명

태양은 약 45억년 동안 계속적으로 일정한 양의 열과 빛을 지구에 제공하고 있습니다. 하지만, 어떻게 그렇게 오랜 세월 동안 이런 에너지를 생성할 수 있을까요? 19세기 과학자들은 태양이 화학반응으로 동력을 얻는다고 믿었습니다. 

그러나 계산을 해보면 화학 에너지로는 약 1000년 정도 밖에 에너지를 지속할 수 없습니다.

1800년대 중반 두 명의 물리학자 켈빈 경과 헤르만 폰 헬름홀츠는 태양 외부층의 엄청난 무게로 인해 태양이 점차 수축해야 한다는 의견을 제시했습니다. 수축하면 내부의 가수가 압축되고 가스가 압축되면 온도가 상승합니다. 켈빈과 헬름홀츠는 중력의 수축은 태양의 가스를 뜨거워지게 하여 열 에너지를 우주로 방출할 수 있게 하고, 이 과정은 실제로 항성 형성의 원시적 단계에서 발생한다고 했습니다. 그러나 이러한 종류의 수축은 수십억 년동안 항성 에너지의 주요 원천이 될 수는 없습니다. 

 

항성 에너지의 근원에 대한 실마리는 알버트 아인스타인에 의해 제시되었습니다. 1905년 아인슈타인은 특수 상대성 이론을 발전시키면서 질량이 에너지로 변환될 수 있고 그 반대도 가능함을 보여주었습니다. 이러한 양은 질량-에너지 관계와 관련이 있습니다. 

 

 

 

여기서 E는 질량 m(kg 단위)의 변환에서 방출된 에너지이고, c는 빛의 속도(m/s)입니다.

1920년 영국의 천문학자 아서 에딩턴은 태양과 다른 별들이 핵반응에 의해 힘을 얻는다고 주장하였습니다. 한스 베스는 양성자가 충분한 힘으로 다른 양성자와 충돌하는 것이 태양에 동력을 공급하는 반응일 수 있음을 깨달았습니다. 1938년에 베스와 그의 동료들은 수소를 헬륨으로 바꾸는 완전히 개발된 양성자-양성자 반응 체인을 발표했습니다. 이 반응은 태양이 약 100억 년 동안 빛날 수 있도록 합니다. 현재 양성자-양성자 순환이라고 불리는 이 순환은 태양 내부 핵에서 생산되는 에너지의 약 98%를 담당하는 것으로 알려져 있습니다. 베스는 별의 에너지 생성에 관한 연구로 1967년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 

 

조금 더 상세한 설명

지구 행성, 우리 몸, 빛나는 별은 모두 동일한 물질의 기본 요소로 구성되어 있습니다. 별이 빛나는 이유를 이해하려면 먼저 물질을 구성하는 작은 입자를 이해해야 합니다. 과학자들은 수 년동안 실험실에서 물질을 연구해 왔습니다. 그들이 물질에 대해 배운 것은 그것이 수소 원자, 탄소 원자 및 철 원자와 같은 다양한 종류의 원자로 구성되어 있다는 것입니다. 각 종류의 원자에는 양성자, 중성자 및 전자라고 하는 고유한 수의 입자가 있습니다. 양성자와 중성자는 핵이라고 불리는 원자의 중심에 함께 모여 있습니다. 전자 궤도핵 주변의 원자는 매우 작습니다. 일렬로 나란히 배치된 1억 개의 원자는 길이가 1인치에 불과합니다. 

 

<출처: The Sun, by astronauts on NASA's Skylab 4 mission>

 

가장 간단한 원자는 수소입니다. 수소 원자의 핵은 단일 양성자로 구성되어 있습니다. 이 양성자 주위에 단일 전자가 궤도를 돌고 있습니다. 우주에는 다른 어떤 종류의 원자보다 더 많은 수소가 있습니다. 

헬륨은 두번째로 구조가 간단한 원자입니다. 그것은 2개의 양성자와 2개의 중성자를 포함하는 핵으로 구성되어 있습니다. 핵 주위에는 2개의 전자가 궤도를 돌고 있으며, 헬륨 핵은 충분한 양의 양성자를 서로 충돌시켜 함께 융합하거나 달라붙게 함으로써 생성될 수 있습니다. 

 

태양의 중심부 또는 중심 내부의 열과 압력이 너무 높아서 양성자가 서로 결합할 수 있을 만큼 충분히 세게 부딪칠 수 있으며, 4개의 양성자가 함께 충돌하면 결과는 2개의 양성자, 2개의 중성자, 2개의 양전자 및 약간의 에너지가 나옵니다. 양전자는 전자와 비슷하지만 양전하를 띤 작은 입자입니다. (양성자는 양전하, 전자는 음전하, 중성자는 전하가 없습니다)

 

왜 엑스트라 에너지일까요? 아인슈타인은 질량(m)이 감소하면 에너지(E)가 나타난다는 공식을 보여주었습니다. c는 빛의 속도이며 300,000km/s입니다. 헬륨 핵은 양성자 4개보다 겨우 99.3% 무겁습니다. 누락된 질량은 에너지로 변환됩니다. 별을 빛나게 하고 중력으로 인해 별이 무너지는 것을 막는 것은 바로 이 에너지입니다. 

 

이 작은 질량을 에너지로 변환하면  390,000,000,000,000,000,000,000,000 와트의 태양 출력을 설명하기에 충분한 에너지가 생성됩니다.