제11장 오래된 별빛으로 만들어진 우리

124번째 밤: 둥글고 파란 불꽃

임무 124일째, 누르의 주된 일은 불을 다루는 실험이었습니다. 불은 우주 정거장의 사람들이 가장 두려워하는 것 가운데 하나이기 때문에, 실험은 두꺼운 창과 특수한 팬, 여러 겹의 안전장치를 갖춘 튼튼하고 밀폐된 상자 안에서 이루어졌습니다. 누르는 오전의 첫 한 시간을 점검표에 썼습니다. 밀봉 상태와 카메라, 가스 공급 장치, 그리고 모든 것을 조종할 컴퓨터를 확인했습니다. 아데가 옆에 떠서 한 줄씩 소리 내어 읽었습니다. 누르는 이륙 전의 조종사처럼 한 줄마다 "확인"이라는 한마디로 답했습니다.

마침내 컴퓨터가 상자 한가운데에 아주 작은 연료 방울을 놓고 불을 붙였습니다. 지구에서 불꽃은 눈물방울 모양입니다. 뜨거운 공기는 차가운 공기보다 가볍기 때문에 위로 올라가면서 불꽃을 위쪽으로 끌어올려 뾰족하게 만듭니다. 무중량 상태에서는 뜨거운 공기가 올라가지 않습니다. 올라갈 '위'가 없기 때문입니다. 그래서 누르의 화면 속 불꽃은 작고 거의 완벽한 공 모양이었습니다. 부드럽고 파란 그 불꽃은 어두운 상자 안에서 빛으로 만든 작은 행성처럼 조용히 빛났습니다.

불의 공은 몇 초밖에 가지 않았습니다. 연료가 다 타자 파란빛은 사그라졌습니다. 카메라가 모든 것을 기록했고, 지상의 과학자들은 몇 달 동안 그 영상을 연구할 것입니다. 그들은 올라가는 공기가 없을 때 불꽃이 어떻게 행동하는지 이해하고 싶어 합니다. 그것이 엔진이나 용광로 같은 지구에서의 연소를 이해하는 데도 도움이 되기 때문입니다. 누르와 아데는 매번 조금씩 바꾸어 가며 시험을 여섯 번 되풀이했고, 오후가 되자 누르의 눈은 화면을 지켜보느라 지쳐 있었습니다.

그날 저녁 일을 마친 뒤, 누르는 사미의 메시지를 읽었습니다. 사미는 승무원들이 학교에 공유한 둥근 불꽃의 짧은 영상을 보았다고 했습니다. "아름답다." 사미는 이렇게 썼습니다. "그럼 태양도 그냥 그런 거대한 불이야? 저 위에서 타고 있는 거야?" 누르는 미소를 지었습니다. 아주 좋은 질문이었고, 많은 사람이 답은 '그렇다'라고 믿습니다. 진짜 답은 그보다 더 이상하고 더 멋집니다. 그리고 그 답은 과학 전체에서 가장 놀라운 사실 가운데 하나로 이어집니다. 누르의 몸, 사미의 몸, 그리고 여러분의 몸을 이루는 물질의 대부분이 별 속에서 만들어졌다는 사실입니다.

그래서 오늘 밤의 이야기는 별이 어떻게 일하는지, 그리고 무엇을 만드는지에 관한 것입니다. 이 책의 지난번 밤, 초기 우주의 잔물결이 보통의 물질과 수수께끼 같은 암흑 물질에 이끌려 은하로 자라난 이야기에 이어지는 이야기입니다. 오늘 밤 우리는 그 은하들 속의 별 자체를 들여다볼 것이며, 별이 등불일 뿐만 아니라 작업장이라는 것을 알게 될 것입니다.

별은 불이 아니다

누르의 상자 속 파란 공 같은 불은 화학 반응입니다. 연료가 공기 중의 산소와 결합하고, 원자들이 다시 배열되어 새로운 분자가 됩니다. 이때 열과 빛이 나옵니다. 하지만 불 속에서 원자 자체는 변하지 않습니다. 연료 속의 탄소 원자는 연기 속에서도 여전히 탄소 원자입니다. 원자들이 서로 손을 잡는 방식만 바뀌었을 뿐입니다.

태양이 이런 종류의 거대한 불이라면 오래전에 다 타 버렸을 것입니다. 수십억 년이 아니라 겨우 수천 년밖에 가지 못했을 것입니다. 그리고 문제가 하나 더 있습니다. 불이 타려면 둘레의 공기에서 산소를 얻어야 하는데, 우주 공간에는 공기가 없습니다. 그러니 태양은 다른 방식으로 빛나야 합니다. 그 방식을 핵융합이라고 부릅니다.

핵융합은 태양의 중심, 핵이라고 부르는 부분에서 일어납니다. 그곳에서는 태양 전체의 무게가 내리누르고, 온도는 섭씨 약 1,500만 도입니다. 그런 열과 압력 속에서는 수소 원자의 중심, 곧 원자핵이 너무나 빠르게 움직여서 서로 부딪쳐 달라붙습니다. 한 단계씩 거쳐 수소 원자핵 네 개가 헬륨 원자핵 하나가 됩니다. 새로 생긴 헬륨은 그것을 만든 수소 원자핵 네 개보다 아주 조금 가볍습니다. 그 아주 작은, 사라진 물질 조각이 에너지로 바뀌었고, 그 에너지가 태양을 빛나게 합니다.

이 일에 왜 그토록 엄청난 열이 필요할까요? 수소 원자핵은 모두 같은 종류의 전기를 띠고 있고, 같은 전기를 띤 것끼리는 반대로 놓인 두 자석처럼 서로 밀어냅니다. 우리 둘레의 차가운 세상에서는 수소 원자핵이 결합할 만큼 가까이 다가가는 일이 결코 없습니다. 극도의 열 속에서, 별 전체의 무게에 눌려 아주 빠르게 움직일 때에만 그중 일부가 달라붙을 만큼 가까워집니다. 태양의 핵 안에서도 수소 원자핵 하나가 다른 원자핵과 결합하기까지는 보통 아주 오래 기다려야 합니다. 태양이 꾸준히 빛나는 것은 원자핵이 너무나 많이 들어 있어서 매초 엄청난 수의 원자핵이 결합에 성공하기 때문입니다.

그 차이를 한 문장으로 말하면 이렇습니다. 불 속에서 원자들은 짝을 바꿉니다. 핵융합에서는 원자의 중심이 결합해 다른 원소가 됩니다. 핵융합은 수소를 헬륨으로 바꿉니다. 그저 재배열하는 것이 아니라 새로운 것을 만들어 냅니다. 그래서 그토록 강력합니다. 태양은 매초 약 400만 톤의 물질을 에너지로 바꾸며, 약 46억 년 동안 그렇게 해 왔습니다. 그래도 태양은 너무나 거대하기 때문에 지금까지 수소의 작은 부분만 썼을 뿐입니다.

밤새 일하는 빵집을 떠올리면 도움이 될지도 모릅니다. 한가운데의 뜨거운 오븐 속에서 단순한 반죽이 빵이 됩니다. 별의 핵 속에서는 가장 단순한 원소인 수소가 그다음 원소인 헬륨이 됩니다. 별에서 나오는 빛은 빵집 문틈으로 새어 나오는 온기와 같습니다. 우리는 그 온기를 느끼지만, 진짜 일은 우리가 볼 수 없는 깊은 안쪽에서 일어나고 있습니다.

별이 어떻게 빛나는지 알아낸 사람들

오랫동안 태양의 에너지는 수수께끼였습니다. 19세기에 과학자들은 그것을 연소로, 혹은 태양이 천천히 줄어들면서 그만큼 뜨거워지는 것으로 설명하려 했습니다. 이런 생각 가운데 어느 것도 태양에 충분히 긴 수명을 줄 수 없었습니다. 지구의 바위와 생명체의 느린 변화에는 알려진 어떤 과정으로 태양이 버틸 수 있는 시간보다 훨씬 많은 시간이 필요해 보였습니다. 바위를 연구하는 사람들과 하늘을 연구하는 사람들이 서로 다른 답을 내놓았고, 아무도 둘을 맞출 수 없었습니다.

답은 원자의 아주 작은 중심인 원자핵을 연구하는 과학의 새로운 분야에서 나왔습니다. 1920년대와 1930년대에 과학자들은 원자핵이 결합하면서 에너지를 내놓을 수 있다는 것을 알게 되었습니다. 1939년, 한스 베테라는 과학자가 태양 같은 별의 핵에서 어떤 반응이 일어날 수 있는지 한 단계씩 밝혀냈습니다. 그는 수소가 헬륨으로 융합하는 것만으로 태양이 수십억 년 동안 빛날 수 있다는 것을 보여 주었습니다. 오래된 수수께끼가 책상 앞에서 종이와 연필로 한 꼼꼼한 계산으로 풀린 것입니다.

지난 어느 밤의 세실리아 페인을 떠올려 보세요. 1925년에 페인은 별이 대부분 수소와 헬륨으로 이루어져 있다는 것을 발견했습니다. 그녀의 발견과 베테의 계산은 한 접시의 두 조각처럼 딱 맞아떨어집니다. 별은 대부분 수소로 이루어져 있고, 그 수소가 별의 연료입니다. 헬륨은 일부는 우주의 처음 몇 분 동안 만들어진 것이고, 일부는 그 뒤로 별들이 만든 것입니다.

다음 질문은 훨씬 더 컸습니다. 별이 헬륨을 만들 수 있다면, 다른 원소도 만들 수 있을까? 1957년, 마거릿 버비지, 제프리 버비지, 윌리엄 파울러, 프레드 호일이라는 네 과학자가 별이 생애의 여러 단계에서 거의 모든 원소를 하나씩 차례로 만들어 낼 수 있다는 것을 설명하는 긴 논문을 썼습니다. 프레드 호일은 몇 해 전 한 라디오 프로그램에서, 자기는 그 생각에 동의하지 않으면서도 빅뱅에 이름을 붙였던 바로 그 사람입니다. 이 질문에서 그의 연구는 원소 대부분이 어디에서 왔는지를 밝히는 데 힘을 보탰습니다. 같은 무렵 다른 과학자들도 비슷한 방향으로 연구하고 있었고, 그 뒤 수십 년에 걸쳐 많은 관측이 큰 그림을 확인해 주었습니다.

이 지식이 어떻게 쌓였는지 생각해 보세요. 별의 중심에 가 본 사람은 아무도 없습니다. 모든 것은 빛에서, 지구의 실험실에서 원자핵으로 한 실험에서, 그리고 계산에서 알아낸 것입니다. 이 책에 나오는 다른 많은 발견처럼, 그것은 책상 앞과 실험실에서 때로는 여러 해 동안 서로의 숫자를 확인하던 사람들이 해낸 일이었습니다.

큰 별은 어떻게 생을 마칠까

태양 같은 별은 생애의 대부분을 수소를 헬륨으로 바꾸며 보냅니다. 핵 속의 수소가 바닥을 보이면 별은 변합니다. 바깥층이 부풀어 올라, 적색 거성이라고 부르는 크고 더 차가운 붉은빛 별이 됩니다. 이제 핵 속에서는 헬륨 원자핵이 결합하기 시작해 탄소와 산소를 만듭니다. 마지막에 태양 같은 별은 바깥층을 빛나는 가스 껍질처럼 우주 공간으로 부드럽게 밀어냅니다. 남는 것은 백색 왜성이라고 부르는 작고 뜨겁고 밀도가 아주 높은 핵이며, 이것은 아주 오랜 시간에 걸쳐 천천히 식어 갑니다.

태양보다 훨씬 무거운 별은 더 빨리 살고 더 극적으로 생을 마칩니다. 무거운 무게 때문에 핵이 더 뜨거워서 더 멀리 나아갈 수 있습니다. 탄소와 산소 다음에는 네온, 마그네슘, 규소를 만들고, 마지막으로 철을 만듭니다. 별은 양파처럼 여러 층을 이루게 되며, 더 무거운 원소일수록 중심 가까이에 있습니다. 하지만 철이 이 길의 끝입니다. 철 원자핵을 결합시키면 에너지가 나오는 것이 아니라 오히려 에너지를 빼앗깁니다. 그래서 큰 별의 핵이 철로 가득 차면, 그 오븐은 더 이상 내놓을 것이 없습니다.

별이 사는 속도는 무게에 따라 달라집니다. 태양 같은 별은 전체 수명이 약 100억 년이므로, 지금은 일하는 생애의 대략 한가운데에 있습니다. 가장 무거운 별들은 겨우 수백만 년 만에 연료를 다 써 버리는데, 별에게는 아주 짧은 시간입니다. 일하는 방식이 다른 두 사람과 조금 비슷합니다. 한 사람은 긴 경력 내내 꾸준한 속도로 일하고, 다른 사람은 맹렬한 속도로 일하다가 아주 일찍 끝납니다. 둘 다 무언가를 남기지만, 빠른 쪽이 가장 극적인 결과를 남깁니다.

바깥으로 밀어내는 에너지가 없어지면, 핵은 한순간에 자기 무게에 짓눌려 무너집니다. 바깥층이 안으로 떨어졌다가 튕겨 나오며, 초신성이라고 부르는 거대한 폭발로 우주 공간에 내던져집니다. 몇 주 동안 초신성 하나가 은하 전체의 별을 합친 것만큼 밝게 빛나기도 합니다. 그 폭발은 별이 생애 동안 만든 탄소, 산소, 규소, 철, 그리고 다른 많은 원소를 흩뿌립니다. 폭발 자체의 격렬한 열기 속에서 새로운 원소를 만들기도 합니다. 중심에 남는 것은 중성자별일 수 있습니다. 한 숟가락이 산 하나만큼 무거울 정도로 밀도가 높은 물질의 공입니다. 가장 무거운 경우에는 블랙홀이 남기도 합니다.

금처럼 가장 무거운 원소 가운데 일부는 아주 특별한 조건이 필요합니다. 여러 해 동안 과학자들은 그런 곳으로 두 중성자별의 충돌을 생각할 수 있다고 여겼습니다. 2017년, 천문학자들은 바로 그런 충돌을 관측했습니다. 공간 자체의 아주 작은 물결을 감지할 수 있는 기구들이 두 중성자별이 나선을 그리며 합쳐지는 신호를 잡아냈고, 이어서 세계 곳곳의 망원경이 그 사건의 빛을 보았습니다. 그 빛 속에서 그들은 금 같은 원소를 포함해 갓 만들어진 무거운 원소의 흔적을 찾아냈습니다. 오늘날 과학자들은 무거운 원소가 여러 종류의 사건에서 나온다고 생각하며, 종류마다 얼마나 이바지하는지는 아직 밝혀 나가는 중입니다.

흩뿌려진 원소들은 사라진 채로 남아 있지 않습니다. 별들 사이의 가스와 먼지 구름 속으로 섞여 들어갑니다. 나중에 그 구름들이 수축해 새로운 별과 새로운 행성이 됩니다. 별의 새로운 세대는 저마다 이전 세대보다 더 무거운 원소를 조금 더 품고 태어납니다. 은하는 같은 냄비를 몇 번이고 다시 쓰는 크고 느린 부엌과 같아서, 한 끼를 지을 때마다 다음 끼니를 위한 맛이 조금씩 더 남습니다.

여러분 몸속의 원자

이제 우리 자신에게로 돌아와 봅시다. 여러분의 몸은 많은 원소로 이루어져 있습니다. 무게로 따지면 가장 큰 부분은 산소이고, 그 대부분은 몸속의 물에 들어 있습니다. 모든 살아 있는 세포에는 탄소가 있습니다. 근육의 단백질에는 질소가 있습니다. 뼈와 이에는 칼슘이 있습니다. 혈액에는 철이 있어서, 폐에서 받은 산소를 몸 구석구석으로 실어 나릅니다.

이 원소들은 우주의 처음 몇 분에는 거의 존재하지 않았습니다. 지난 어느 밤에 보았듯이 그 몇 분 동안 만들어진 것은 주로 수소와 헬륨, 그리고 아주 적은 양의 리튬이었습니다. 여러분 몸속의 탄소, 질소, 산소는 나중에 별 속에서 만들어졌습니다. 칼슘과 철도 별에서 왔으며, 그 상당 부분은 태양이 태어나기 훨씬 전에 폭발한 별들에서 왔습니다. 아주 실제적인 의미에서, 여러분은 우리 태양계가 생기기 전에 살다가 죽은 별들이 남긴 것으로 지어져 있습니다.

중요한 예외가 하나 있습니다. 여러분의 몸속, 여러분이 마시는 물과 먹는 음식 속에 있는 수소는 별에서 만들어지지 않았습니다. 수소는 가장 단순한 원소이며, 그 거의 전부가 우주의 처음 몇 분에서 왔습니다. 원자의 개수로 따지면 여러분 몸에서 가장 흔한 원소는 수소입니다. 그러니 여러분은 두 종류의 역사를 모두 몸속에 지니고 있습니다. 수소에는 아주 이른 우주의 역사를, 그리고 거의 다른 모든 것에는 수많은 별의 긴 노동의 역사를 지니고 있는 것입니다.

정거장에서 누르를 둘러싼 모든 것도 마찬가지입니다. 벽의 알루미늄, 공기 탱크 속의 산소, 컴퓨터 칩의 규소, 누르가 먹는 음식의 탄소가 모두 별에서 왔습니다. 파란 불꽃을 담았던 상자의 금속도 수십억 년 전 별의 작업장에서 원자 하나하나 만들어진 것입니다. 그 파란 불꽃의 빛조차 한때 별 속에 있던 원자들에서 나왔습니다.

이것을 온 마음으로 느끼기는 쉽지 않습니다. 차 한 잔은 오래된 별의 잔해처럼 보이지 않습니다. 하지만 다음에 직장의 공구나 부엌의 냄비, 길에서 주운 돌처럼 묵직한 무언가를 손에 들 때, 그 원자들이 지구보다 오래되었다는 것을 떠올려 볼 수 있을 것입니다. 그 원자들은 우주 공간과 구름과 새로운 별들을 거쳐 여행한 끝에 여러분의 손안에서 쉬고 있습니다.

사미에게 보내는 메시지

하루가 끝날 무렵 누르는 수면 칸으로 떠 들어가 침낭 지퍼를 가슴까지 올렸습니다. 누르는 둥글고 파란 불꽃과, 그날 정거장에서 열여섯 번 떴다 진 태양을 생각했습니다. 그러고는 작은 태블릿을 열어 사미에게 썼습니다.

"아니, 태양은 불이 아니야." 누르는 이렇게 썼습니다. "수소가 헬륨으로 바뀌는 일종의 오븐이야. 큰 별은 다른 것도 만들어. 탄소, 산소, 철 같은 것. 별이 죽을 때 그걸 전부 우주로 내던지고, 거기서 새로운 별과 행성이 만들어져. 네 피 속의 철도 별에서 만들어진 거야. 그러니까 오늘 밤 피곤하면, 네가 아주 오래되고 아주 튼튼한 재료로 만들어졌다는 걸 기억해."

새벽 세 시쯤, 저 아래 조용한 길에서 사미는 쉬려고 차를 세웠습니다. 사미는 메시지를 두 번 읽고, 샌드위치를 먹고, 앞 유리 너머 구름 사이로 보이는 밝은 별 몇 개를 올려다보았습니다. 사미는 답장을 썼습니다. "아주 튼튼한 재료라. 마지막 상자들을 들 때 내 허리한테 그렇게 말해 줄게."

어쩌면 여러분도 긴 하루를 마무리하고 있을지 모릅니다. 손은 지쳤을 테고, 허리가 쑤실지도 모르며, 내일이 벌써 기다리고 있을지도 모릅니다. 하지만 여러분을 이루는 재료는 별의 심장을 거쳐 온 것입니다. 오늘 밤 그 재료에게 필요한 것은 푹 쉬는 것뿐입니다.

흔한 오해

많은 사람이 자기 몸의 모든 원자가 별 속에서 만들어졌다고 생각합니다. 아름다운 생각이고 대부분은 사실이지만, 완전히 그렇지는 않습니다. 탄소, 산소, 칼슘, 철 같은 여러분 몸속 원소 대부분은 정말로 별에서 만들어졌습니다. 하지만 모든 물 분자와 세포 속 많은 분자의 일부인 수소는 우주의 처음 몇 분 동안 만들어졌습니다. 그러니 여러분이 우주의 시작에서 온 재료와 별에서 온 재료로 함께 이루어져 있다고 말하는 것이 더 정확합니다.

또 많은 사람이 태양과 별들이 불처럼 탄다고 생각합니다. 뜨겁고 밝은 데다, 일상의 말에서 '탄다'는 말을 흔히 쓰니 자연스러운 생각입니다. 하지만 불은 산소가 필요하고 원자가 결합하는 방식만 바꾸는 화학 반응입니다. 태양은 핵융합으로 빛납니다. 수소 원자의 중심이 결합해 헬륨이 되고, 약간의 물질이 엄청난 에너지로 바뀝니다. 그래서 태양은 수십억 년 동안 빛날 수 있고, 공기가 필요하지 않습니다.

마지막으로, 어떤 사람들은 금과 다른 무거운 원소들이 다른 모든 것과 함께 빅뱅 때 만들어졌다고 생각합니다. 사실 우주의 처음 몇 분 동안 만들어진 것은 가장 가벼운 원소들, 곧 수소와 헬륨과 약간의 리튬뿐이었습니다. 우주는 너무 빨리 식어서 더 무거운 것을 만들 수 없었습니다. 금과 다른 무거운 원소들은 훨씬 나중에, 중성자별의 충돌 같은 극단적인 사건 속에서, 그리고 아마 일부 폭발하는 별 속에서 만들어졌습니다. 그러니 반지 속의 금은 물 한 잔 속의 수소보다 훨씬 젊습니다. 다음 밤에는 그렇게 흩뿌려진 원소 가운데 일부가 새로운 별과 그 행성들, 곧 태양과 지구로 모여드는 과정을 따라가 보겠습니다.