별의 진화와 원소의 형성 — 우리 몸의 원소는 별에서 왔다

우리 몸은 탄소·산소·질소·칼슘·철 같은 원소로 되어 있습니다. 그런데 우주가 태어날 때 만들어진 원소는 수소와 헬륨이 거의 전부였습니다. 나머지는 어디서 왔을까요. 답은 하늘에 있습니다. 몸속의 탄소와 산소는 별의 속에서, 금과 우라늄은 별이 폭발할 때 만들어졌습니다. 우리는 말 그대로 별의 재로 되어 있습니다.

빅뱅이 남긴 것 — 수소와 헬륨

우주가 뜨겁고 촘촘하던 첫 몇 분 동안 양성자와 중성자가 뭉쳐 가장 가벼운 원소들이 만들어졌습니다. 질량으로 따져 수소가 약 4분의 3, 헬륨이 약 4분의 1, 리튬이 아주 조금. 우주가 빠르게 식고 흩어져서 그 이상은 만들지 못했습니다. 그 뒤로 원소를 만드는 공장은 별뿐입니다.

별 속의 핵융합 — 가벼운 것을 무거운 것으로

별은 중심의 높은 온도와 압력으로 가벼운 원자핵을 합쳐 무거운 원자핵을 만듭니다. 이것이 핵융합이고, 이때 나오는 에너지가 별빛입니다. 별은 타는 것이 아니라 원자핵을 합치고 있습니다.

핵융합은 단계를 밟습니다. 먼저 수소가 헬륨이 됩니다. 태양이 지금 하는 일이고, 별 일생의 대부분이 이 단계입니다. 중심의 수소가 떨어지면 별은 부풀어 적색 거성이 되고, 더 뜨거워진 중심에서 헬륨이 탄소와 산소가 됩니다. 몸속의 탄소와 산소는 여기서 왔습니다.

질량이 큰 별은 여기서 멈추지 않습니다. 탄소가 네온과 마그네슘이 되고, 산소가 규소가 되고, 규소가 철이 됩니다. 단계마다 더 높은 온도가 필요하므로 무거운 원소일수록 안쪽에서 만들어지고, 별의 속은 바깥부터 가벼운 원소, 안쪽으로 갈수록 무거운 원소가 쌓인 양파 껍질 모양이 됩니다.

왜 철에서 멈추는가

철까지는 원자핵을 합칠 때마다 에너지가 나옵니다. 그런데 철은 원자핵이 가장 단단하게 묶인 원소라, 철을 더 합쳐 무거운 원소를 만들려면 오히려 에너지를 넣어 주어야 합니다. 에너지를 내놓지 못하니 별은 더 이상 버틸 힘을 얻지 못합니다.

중심에 철이 쌓이면 별은 자기 무게를 이기지 못하고 순식간에 무너집니다. 이것이 초신성 폭발입니다. 이 폭발의 엄청난 에너지와 쏟아지는 중성자 속에서 철보다 무거운 원소들, 곧 금·은·납·우라늄이 만들어져 우주로 흩뿌려집니다. 중성자별 둘이 부딪칠 때도 같은 일이 일어납니다.

흩어진 재는 다음 세대의 별과 행성이 됩니다. 태양계는 그렇게 만들어진 2세대 이후의 별이고, 지구의 철과 금은 태양이 태어나기 전에 다른 별이 만들어 놓은 것입니다.

질량이 마지막을 정한다

• 태양 정도의 별 — 헬륨을 탄소와 산소로 만드는 데서 멈춥니다. 바깥층을 부드럽게 날려 보내 행성상 성운이 되고, 중심에는 탄소와 산소로 된 백색 왜성이 남습니다. 태양도 이 길을 갑니다.
• 태양보다 훨씬 무거운 별 — 철까지 만들고 초신성으로 터집니다. 중심에는 중성자별이, 더 무거우면 블랙홀이 남습니다.

무거운 별일수록 밝게 빨리 타고 짧게 삽니다. 무거운 원소를 만드는 별은 수명이 수백만 년이고, 태양은 100억 년쯤 삽니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 빅뱅 때 만들어진 원소: 수소와 헬륨. 질량비 약 3 : 1.
• 핵융합 단계의 순서: 수소 → 헬륨 → 탄소·산소 → … → 철. 온도가 높을수록 무거운 원소.
• 철에서 멈추는 이유: 철이 가장 안정한 원자핵이라 더 합치면 에너지를 흡수함.
• 철보다 무거운 원소가 만들어지는 곳: 초신성 폭발, 중성자별 충돌.
• 별의 질량에 따른 마지막: 백색 왜성 / 중성자별 / 블랙홀.
• 양파 구조 그림에서 층의 순서 묻기. 바깥이 수소, 중심이 철.

자주 헷갈리는 것

• "태양은 불타고 있다" — 연소가 아니라 핵융합입니다. 산소도 필요 없고, 수소 원자핵이 헬륨으로 합쳐지며 에너지를 냅니다.
• "모든 별이 철까지 만든다" — 태양 정도의 별은 탄소와 산소에서 멈춥니다. 철까지 가려면 태양보다 여러 배 무거워야 합니다.
• "금은 별 속에서 만들어진다" — 별의 속에서는 철까지입니다. 금처럼 무거운 원소는 별이 터지거나 중성자별이 부딪치는 순간에 만들어집니다.

정리합니다. 빅뱅은 수소와 헬륨만 남겼고, 별은 핵융합으로 그것을 탄소·산소를 거쳐 철까지 쌓았습니다. 철은 가장 안정한 원자핵이라 거기서 멈추고, 그보다 무거운 원소는 초신성과 중성자별 충돌에서 나옵니다. 흩어진 재가 다음 별과 행성과 우리가 되었습니다.