현재 대한민국에서 가장 뜨거운 키워드 하나를 꼽자면, 바로 '버닝썬(Burning sun)'이 아닐까 싶은데요. 

단순한 클럽 폭행 사건에서 시작된 '버닝썬' 사태는 가수 빅뱅의 멤버 승리의 성접대 알선 의혹을 비롯해 클럽 내 마약 유통 및 투약, 경찰과 클럽 간의 유착 의혹, 불법 촬영 영상물 공유 의혹과 같은 사건들로 점점 커지고 있습니다. 급기야 정치권까지 불똥이 튀는 흐름인데요.

그런데 <이웃집과학자>는 버닝썬의 '버닝'에 주목합니다. 태양은 '버닝(Burning)'하고 있는 것이 아니기 때문입니다.

썬(Sun)은 버닝하는 게 아냐

버닝은 '불타다', 즉 연소를 뜻합니다. 주로 물질이 산소와 결합해 다량의 열과 빛을 내는 현상을 말합니다. 연소를 위한 조건을 살펴보면, 첫째로 연소할 물질이 있어야 합니다. 두 번째, 가열을 통해 물질을 발화점 이상의 온도로 만들어야 합니다. 마지막으로 물질 주위에 산소가 필요합니다.

하지만 태양은 이러한 조건을 중족하지 않습니다. 그리고 사실 에너지를 만들기 위해 연소 자체가 필요하지도 않습니다.

왜 퓨전썬이 맞나

태양은 '퓨전(Fusion)'하고 있습니다. 태양은 별 내부에 있는 수소원자 4개를 헬륨원자 1개로 융합하는 수소핵융합(hydrogen nuclear fusion reaction) 반응을 통해 빛과 열 에너지를 얻고 있습니다.

이렇게 태양은 수소 핵융합 반응으로 헬륨을 생성하며 에너지를 방출하게 되는데요. 연소(burning)에 필요한 산소와 같은 비교적 무거운 원소들은 쉽게 말해 태양과 같은 별들의 중심부에 있는 수소를 헬륨으로 모두 바뀐 이후에나 만들어 질 수 있습니다. 즉, 수소 핵융합 반응이 멈춘 후 만들어질 수 있습니다.

중심부가 헬륨으로 변한 태양과 같은 별들은 내부 압력보다 중력이 우세하기 때문에 수축하게 되는데요. 그러면서 기존에 비해 훨씬 큰 질량을 가지는 적색거성으로 변모하게 됩니다. 적색거성으로 변한 이후에도 핵융합이 발생하려면, 중심부가 계속 수축하며 온도가 1억 K 이상이 되어야 하는데요. 중심부 온도가 1억 K 이상이 됐을때 비로소 '헬륨' 핵융합 반응이 일어나며 탄소가 생성됩니다. 이후 헬륨이 모두 탄소로 바뀐후. 그리고 온도가 계속 높아서 핵융합 반응이 지속되어야 산소, 규소 등이 차례로 생성된다고 합니다. 

<NASA> 자료를 보면 태양은 수소가 약 90%를 차지하고 있는 거대한 가스 덩어리입니다. 수소를 제외하고는 약 9%의 헬륨, 그리고 1%의 탄소, 질소, 규소, 철과 같은 원소로 이뤄져 있습니다. 태양의 지름은 약 139만 km로 지구의 약 109배에 이르는 거대한 크기를 가지고 있습니다. 태양의 중심의 온도는 1,500만℃에 이를 것으로 추정되는데요. 이 온도는 폭발하는 수소 폭탄의 온도와 같다고 합니다. 이렇게 태양은 수소 원자를 헬륨으로 변환시켜 태양에 에너지를 공급할 수 있는 '열핵반응(thermonuclear reactions)'을 지속할 수 있을 만큼 충분히 뜨겁습니다. 많은 양의 에너지를 방출하는 핵융합 반응을 위해서는 높은 온도가 필요한데요. 이를 열핵반응(thermonuclear reactions)이라고 합니다.

열핵반응이 일어나기 위해서는 약 1,000만 도 가량의 높은 온도 조건이 필요하다고 하는데요. 이렇게 되면, 물질은 플라즈마라는 특이한 상태로 존재하게 됩니다. 참고로 플라즈마는 자유 전자와 이온으로 이뤄진 기체로, 물질의 제 4의 상태를 말합니다. 원자핵은 보통 서로 밀어내지만 약 1,000만 도로 가열되면 원자핵은 매우 활발해져 서로 융합하게 됩니다.

태양의 내부는 매우 뜨겁기 때문에, 이 온도에서 원자는 양성자, 중성자, 전자로 분리될 수 있습니다. 태양의 양자 터널효과(quantum-tunneling effects)는 뜨겁고, 빠른 속도의 양성자가 헬륨 핵에 융합되도록 해줍니다. 참고로, 양자 터널효과(quantum-tunneling effects)란 양자역학에서 원자핵을 구성하는 핵자(nucleon)가 그것을 묶어 놓은 핵력의 포텐셜 장벽보다 낮은 에너지 상태에서도 확률적으로 원자 밖으로 튀어 나가는 현상을 말합니다. 이는 원자의 방사성 붕괴 등을 설명하는데 사용됩니다. 

이렇게 태양 빛을 만드는 핵융합 반응은 다음과 같이 일어납니다. 

1. 두 개의 양성자가 융합됩니다. 그 두 쌍은 즉시 다시 분열되지만, 때때로 그 중 하나의 양성자가 중성자로 변하게 됩니다. 그 결과, 양성자-중성자 쌍은 수소의 일종인 중수소(deuterium)가 되며 양전자(positron)와 중성미자(neutrino)가 방출됩니다. 

2. 양전자가 반입자(antiparticle)를 만나게 되면, 양전자-반입자 쌍은 소멸되며 ³He가 되면서 감마선을 방출하게 됩니다. 참고로 반입자란, 입자와 서로 반대의 전하를 띠고 있다는 사실만 제외하면 입자와 똑같이 보이고, 행동도 같은 물질을 말합니다. 또 다른 양성자가 중수소핵과 충돌해 ³He(양성자 2개, 중성자1개)와 감마선을 형성하게 됩니다. 감마선은 결국 태양의 중심부에서 태양 빛의 형태로 우주로 방출됩니다. 

3. ³He의 핵은 다른 ³He핵과 충돌하며 ⁴He와 두 개의 양성자를 만듭니다.

이렇게 태양은 매초마다 약 500만t의 수소핵을 연료로 사용하고 있는데요. 하지만 태양은 매우 크기 때문에 이 속도로 수소를 연료로 소진한다 해도, 수소핵을 모두 사용하려면 40억년이 걸립니다.

함예솔 다른기사 보기