태양

태양

약 1억 5,000만km 떨어져 있는 물체의 구성 요소를 어떻게 알 수 있을까? 게다가 극도로 뜨겁고 밝아서 심하게 그을리지 않고 서는 접근할 수 없는 천체라면? 천문학에서 대부분이 그렇듯 답은 우주에서 지구로 들어오는 빛에 있었다.

1800년대 초반 독일의 물리학자 요제프 폰 프라 운호퍼는 태양빛 스펙트럼이 연속체가 아니라는 것을 발견하였다.

스펙트럼에는 프라운호퍼선으로 알려진 흑선이 500여 개 있다고 한다.

 

1850년대 독일의 두 과학자 로베르트 분젠과 구스타프 키르히호프는 흑선은 단지 색이 빠진 부분이라고 설명하였다. 태양을 구성하는 다양한 물질이 특정 주파수의 빛을 흡수해 해당 색깔이 지구에 도달하지 못하도록 차단해서 생긴 공백이라는 것이라고 한다.

 

프라운호퍼선은 빛의 원천인 태양이 무엇으로 구성돼 있는지에 대한 중요한 정보를 담고 있는 화학 바코드와 같다고 한다. 태양 고유의 지문이라 보면된다. 분젠과 키르히호프는 여러 원소를 가열했을 때 생기는 흡수선과 태양 스펙트럼에 나타나는 흑선을 비교하였다. 이 실험을 위해 분젠은 연소 장치를 발명했고, 자신의 이름을 붙였다고 한다. 그 결과, 태양의 주요 구성 원소가 우주에서 가장 가벼운 원소인 수소라는 것이 밝혀진다.

 

그러나 1868년 예기치 않은 발견이 천문학자들을 깜짝 놀라게 하였다. 프랑스 천문학자 피에르 장센은 그해 일식을 관측하다가 기존에 알려진 어떤 원소에도 대응되지 않는 흡수선을 발견하였다. 또한 영국 천문학자 노먼 로키어도 태양을 관측하다가 장센이 관측한 것과 같은 것을 발견하였다.

 

로키어와 동료 화학자 에드워드 프랭클랜드는 새로 발견된 원 소를 헬륨helium이라 지었다. 태양을 의미하는 그리스어 헬리오스에서 이름을 따왔다. 헬륨은 지구보다 우주에서 먼저 발견된 최초의 원소이다. 스펙트럼에 나타나는 띠를 분석하는 분광법 덕분에 오늘날 태양의 73%가 수소, 25%가 헬륨으로 구성돼 있고 나머지는 산소, 탄소, 철 등 다른 원소로 채워져 있음이 밝혀진다.

 

 

 

태양의 에너지원

태양은 지구에서 약 1억 5,000만km나 떨어져 있는데도 우리의 피부를 타게 한다. 그렇게 거대한 용광로를 가동시키는 에너지원 이 무엇인지가 19세기 후반 물리학의 가장 중대한 관심사다.

 

 

다윈의 자연선택설에 의한 진화론을 포함해 생물학과 지질학의 발전은 고대 지구에 관한 많은 단서를 제공하였다. 그러나 태양은 생성된 지 워낙 오래돼서 태양에너지의 원천이 무엇인지 이해하는 것은 훨씬 더 어려웠다고 한다. 수백만 년간 태양이 어떤 과정을 통 해 유지됐는지 밝히는 것과 태양의 나이가 수십억 년이 맞는지 알아내는 것은 별개의 문제라고 한다.

빅토리아시대 과학 분야의 많은 권위자는 태양이 생성된지 아주 오래됐다는 것을 믿으려 하지 않았다고 한다. 열과 에너지 분야의 최고 전문가였던 켈빈경은 중력이 태양의 에너지원이라 생각하였다. 태양을 구성하는 물질들이 중심핵을 향해 계속 압축되면 압력과 온도가 증가된다. 이렇게 중력에너지가 열에너지로 전환된 다는 것이 켈빈의 설명이다.

 

켈빈은 약 3,000만 년이면 태양의 모든 에너지가 소진된다고 계산하였다. 태양이 여전히 밝게 빛나고 있다면 태양의 나이는 그 보다 적어야 된다. 그래서 1862년 켈빈은 다윈이 수십억 년이라 고 계산한 지구의 나이가 틀리다고 주장하였다.

다윈이 옳았고 켈빈은 틀린 것이다. 1905년 아인슈타인의 유명한 방정식이 발표되자 마침내 빠진 퍼즐 조각이 채워진 것이다. 아인슈타인의 질량-에너지등가방정식은 에너지 E와 질량 m이 실 제로는 같은 것이며 하나를 다른 하나로 바꿀 수 있다는 법칙을 의미다. 빛의 속도를 제곱한 값에 질량을 곱하면 가능한 에너지 양을 구할 수 있는 것이다. 그러나 질량이 있는 물체가 에너지를 방출하려면 극도로 높은 온도와 압력이 필요하다는 문제가 발생한고 한다.

 

1920년 아서 에딩턴은 태양에 에너지를 공급하는 실질적인 떼 커니즘을 처음 설명하였다. 그것은 핵융합이라고 한다. 태양의 중심부처럼 온도와 압력이 극도로 높은 곳에서는 수소가 융합해 헬륨이 생성될 수 있는 것이다.

여기에서 핵심은 새로 생겨난 헬륨이 원래의 수소보다 질량 이 조금 작다는 것이라고 한다. 두 원소 사이에 사라진 질량이 태양에 너지의 원천이 된다고 한다. 사라진 질량은 아인슈타인의 질량-에너지 등가방정식에 의해 에너지로 전환된 것이라고 한다. 태양은 1초에 6억 2,000만 톤의 수소를 융합해서 6억 1,600만 톤의 헬륨을 생산한다고 한다. 질량 차에 해당하는 400만 톤은 빛으로 전환되는 것이다.  태양은 수소를 엄청나게 빨아들이지만 그래도 앞으로 50억 년 간 융합할 수 있는 양을 가지고 있다고 한다.