통합과학 고1 물질과 규칙성

우주의 기원과 원소

빅뱅과 별의 핵융합 반응으로 원소가 합성되는 과정과 우주 진화를 이해한다.

우주가 뜨겁고 조밀한 상태에서 시작해 팽창·냉각하며 수소와 헬륨을 만들고, 이후 별의 핵융합과 초신성 폭발이 그보다 무거운 원소들을 만들어 낸 과정입니다.

우리 몸의 산소와 탄소, 뼈의 칼슘, 피의 철은 전부 어느 별의 내부에서 만들어진 것입니다. 원소의 역사를 안다는 것은 곧 우리 자신이 어디서 왔는지를 아는 일입니다.

쉽게 말하면

우주는 처음에 매우 뜨겁고 밀도가 높은 상태였고, 팽창하면서 식었습니다. 온도가 내려가자 기본 입자에서 양성자와 중성자가, 이어서 가벼운 원자핵이 만들어졌고, 더 식은 뒤에야 원자핵이 전자를 붙잡아 원자가 되었습니다. 이 마지막 순간에 비로소 빛이 자유롭게 퍼져 나갔는데, 그 빛이 지금도 우주 전체에서 오는 우주 배경 복사입니다. 우주 배경 복사가 관측된다는 것, 그리고 우주에 수소와 헬륨이 질량비로 약 $3 : 1$ 존재한다는 것이 빅뱅 우주론의 대표적인 증거입니다.

하지만 빅뱅이 만든 것은 주로 수소와 헬륨까지입니다. 나머지는 별이 만들었습니다. 기체 구름이 중력으로 뭉쳐 중심이 충분히 뜨거워지면 수소 원자핵이 융합해 헬륨이 됩니다 — 이것이 별이 빛나는 이유입니다. 질량이 큰 별은 수소를 다 쓴 뒤에도 중심 온도가 더 올라가 헬륨을 탄소로, 탄소를 더 무거운 원소로 차례차례 융합시키며 양파처럼 층을 이룹니다.

그런데 이 사슬은 철에서 멈춥니다. 철보다 무거운 원소를 융합으로 만들려면 에너지가 오히려 들어가야 하기 때문입니다. 그래서 철보다 무거운 원소들은 별이 마지막에 폭발할 때(초신성) 만들어져 우주 공간에 흩뿌려집니다. 그 물질이 다시 뭉쳐 다음 세대의 별과 행성이 되고, 지구와 우리가 됩니다.

지질 시대와 생물 진화에서 화석으로 지구의 역사를 읽었듯, 천문학자는 별빛의 스펙트럼에 나타나는 선으로 그 별에 어떤 원소가 있는지를 읽습니다. 원소마다 흡수하는 빛의 파장이 정해져 있어, 별에 가 보지 않고도 성분을 알 수 있습니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

별이 빛나는 이유 — 수소 핵융합

$H \to He$

네 개의 수소 원자핵이 합쳐져 헬륨 원자핵 하나가 될 때, 만들어진 헬륨의 질량이 원래 수소들의 질량 합보다 조금 작습니다. 그 줄어든 만큼이 에너지로 바뀌어 나옵니다. 태양이 수십억 년 동안 계속 빛날 수 있는 것은 이 반응 덕분입니다.
예시 2

철에서 멈추는 핵융합

$Fe$

가벼운 원자핵끼리 융합하면 에너지가 나오지만, 철보다 무거워지면 반대로 에너지를 넣어야 합니다. 그래서 아무리 무거운 별이라도 중심에 철이 쌓이는 순간 에너지를 만들지 못하고 무너집니다. 금이나 우라늄 같은 원소는 이 붕괴와 폭발의 극한 상황에서 만들어졌습니다.
예시 3

별빛에 새겨진 원소의 지문

별빛을 프리즘에 통과시키면 무지개 띠 곳곳에 검은 줄이 보입니다. 별의 바깥층 원소들이 자기 몫의 파장을 흡수한 자리입니다. 이 줄의 위치를 지구 실험실의 자료와 맞춰 보면 그 별에 수소가 있는지 헬륨이 있는지 알 수 있습니다.

자주 하는 오해

빅뱅을 '우주의 어느 한 지점에서 일어난 폭발'로 상상하기

이렇게 생각하기 쉬움텅 빈 공간 한가운데서 뭔가가 터졌고, 파편이 사방으로 날아가는 중이다

실제로는폭발한 것이 아니라 공간 자체가 늘어난 것입니다. 팽창의 중심이 되는 특별한 지점은 없습니다.

폭발이라면 중심이 있고 그곳에서 멀어질수록 밀도가 낮아야 합니다. 그런데 어느 은하에서 보아도 다른 은하들이 자신에게서 멀어지고, 우주 배경 복사는 모든 방향에서 거의 똑같이 옵니다. 이는 중심에서 파편이 흩어지는 그림이 아니라, 풍선 표면의 점들처럼 공간 전체가 늘어나며 서로 멀어지는 그림에 맞습니다.

모든 원소가 별에서 만들어졌다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움원소는 전부 별의 핵융합으로 만들어졌다

실제로는수소와 헬륨의 대부분은 별이 생기기도 전, 빅뱅 직후에 이미 만들어졌습니다. 별이 만든 것은 그보다 무거운 원소들입니다.

우주 초기에는 온도가 충분히 높아 우주 전체가 잠시 핵융합로처럼 작동했고, 그 짧은 시기에 헬륨이 만들어졌습니다. 이후 우주가 식자 반응이 멈췄습니다. 지금 우주의 수소와 헬륨 비율이 어느 방향을 보아도 비슷한 것은, 그것이 특정 별들이 만든 결과가 아니라 우주 초기의 흔적이기 때문입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

별과 우주(중2)중2 별의 거리와 밝기중2 지질 시대와 생물 진화고1

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

태양고2

같은 단원의 개념 — 물질과 규칙성

물질과 규칙성고1 신소재고1 화학 결합고1

자주 묻는 질문

Q1우주가 팽창하면 지구도 커지나요?

아닙니다. 중력이나 화학 결합으로 단단히 묶인 것들은 그 결합이 팽창을 이깁니다. 은하와 은하 사이처럼 아무것도 붙잡지 않는 아주 큰 규모에서만 팽창이 드러납니다.

Q2우주 배경 복사가 왜 빅뱅의 증거가 되나요?

뜨거웠던 우주가 식으면서 원자가 만들어지던 순간, 그때까지 갇혀 있던 빛이 풀려났습니다. 그 빛이 팽창과 함께 길게 늘어나 지금은 아주 차가운 전파로 관측됩니다. '처음에 뜨거웠다'는 가정이 없으면 이 빛이 왜 존재하는지 설명할 수 없습니다.

Q3태양도 언젠가 초신성이 되나요?

초신성 폭발은 질량이 아주 큰 별에서 일어납니다. 태양처럼 상대적으로 가벼운 별은 그런 폭발로 끝나지 않습니다. 별의 마지막 모습은 그 별이 태어날 때의 질량이 정합니다.

교육과정 2022 개정 · 고1 통합과학 · 물질과 규칙성 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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