태양은 어떻게 활활 불타고 있을까? 아무것도 없는 우주에서!?

아침부터 저녁까지 항상 우리들의 머리 위에서 햇살을 내리쬐는 태양! 태양은 사실 항성이라고 불리는 천체로서, 우리가 사는 지구가 이 태양을 중심으로 공전하고 있을 뿐만 아니라, 태양계의 다른 모든 행성들의 중심축이 되는 중요한 역할을 떠맡고 있습니다. 이처럼 태양은 지구상에 살아가는 모든 생명체가 필요로 하는 빛과 열을 모두 제공해주는 고마운 존재입니다.

그러나 태양은 우리가 시골 동네에서 종종 볼 수 있는 벽난로처럼 연료로 공급되는 장작 같은 것도 가지고 있지 않고, 우리들 시선으로 보기에는 단지 우주 공간 속에 홀로 외롭게 떠있을 뿐이면서도 언제나 활활 뜨겁게 타오르는 모습으로 관찰되는데요. 이러한 태양의 나이, 즉 태양이 여태껏 평생 이처럼 불타 온 시간은 무려 46억 년에 달한다고 하네요. 이것은 우주의 나이 137억년의 약 3분의 1에 가까운 시간으로 그동안 단 한차례도 쉬지 않고 불타오르고 있는 것입니다.

그런데 어떻게 태양은 산소도 없는 망망대해의 우주에서 이토록 오랫동안 뜨겁게 불타고 있는 걸까요?

과학적으로 불이 타오르는 연소 반응이 일어나기 위해서는 산소(O2)가 필요한 법입니다. 그렇기 때문에 화재가 발생했을 시에도 산소를 차단함으로써 불길을 진압할 수가 있는 건데요. 건물에 흔히 비치되어 있는 CO2 소화기 역시 온도를 내려서 불을 멈추는 냉각 효과와 더불어, 산소를 없애버림으로써 연소 반응을 억제하는 원리로 작동하는 것입니다.

CO2 소화기는 이산화탄소를 이용해 산소를 제거함으로써 소화시키는 원리이다.

그러나 아이러니하게도 진공 상태인 우주에는 애당초 연소에 반드시 필요한 산소가 존재하지 않습니다. 그럼에도 불구하고 태양은 우리 지구 상에 존재하는 어떠한 불보다도 더 오랜 시간 동안, 그것도 한참은 뜨거운 온도로 불타고 있죠! 심지어 화산 지층 속에서 부글부글 끓고 있는 마그마보다도 더욱 뜨겁게 말입니다! 우리들의 상식적인 관점에서 본다면 전혀 말이 안 되는 현상인 것 같죠? 그러나 이 질문에 대한 정답은 바로 태양의 "핵 융합" 반응에 있습니다. 과학자들은 이렇게 말하고 있습니다.

사실 태양은 엄밀히 말하면 우리가 생각하는 의미에서 불타고 있는 것이 아닙니다. 즉, 산소를 통해서 불타는 "연소"되고 있는 방식이 아니라, 자기 자신의 내부에서 연속적으로 "폭발"하고 있는 것이에요.

태양은 표면 온도는 6,000도, 내부 온도는 15,000,000도를 육박하여 우리가 알고 있는 모든 사물을 녹여버릴 수 있을 정도로 무지막지한 고열을 꾸준히 유지하고 있습니다. 이런 초고온 상태를 우리는 특별히 명명해서 "플라즈마"라고 부르는데요. 이 정도로 높은 온도에서는 열 에너지 때문에 원자들의 열 운동이 극히 활발해지고, 그 결과로 원자의 중심부에 자리한 원자 핵들 사이에서 거센 충돌이 발생하게 됩니다. 이렇게 서로 마구마구 부딪히다보면 서로가 결국에는 합쳐질 수도 있겠죠? 이것을 우리는 "핵융합"이라고 부르게 되는데, 질량이 가벼울수록 더 쉽게 융합이 되는 성질에 따라 실제로 태양 내부에 있는 수소 같은 가벼운 원자 핵들끼리 합쳐지면서 수소보다 무거운 원자 핵인 "중수소"가 만들어지고, 이 중수소가 다른 중수소와 합쳐지면서 중수소보다 무거운 3중수소가 만들어지는 과정을 거쳐 마지막에는 3중수소와 중수소가 충돌하며 가장 무거운 원자핵인 헬륨이 탄생하게 됩니다. 

태양의 핵융합을 나타내고 있는 도식표

태양의 내부에서는 이같은 핵융합 과정이 끊임없이 반복되면서, 각 원자 핵의 질량이 일부 줄어들고 그 줄어든 질량만큼의 에너지가 발생하게 되는데, 이러한 핵 융합에 의해 발생한 에너지가 태양이 뿜어내는 빛과 열의 기원이 되는것입니다. 이 말 인즉, 태양은 앞서 말한대로 지난 46억 년 동안 핵융합을 지속하면서 에너지를 발산하는 반면 태양 자신의 질량은 계속해서 줄어들고 있다는 것을 의미하는 것이죠. 따라서 태양도 결국엔 영원히 불탈 수는 없다는 것입니다. 이러한 핵융합의 성질은 우리가 아는 천재 아인슈타인의 E=mc²(특수상대성이론)이라는 유명한 공식으로 설명할 수 있습니다. 그의 특수상대성이론을 간단히 설명하자면 "에너지 = 질량 곱하기 빛의 속도의 제곱", 즉, 질량과 에너지는 상호 변환 가능하다는 뜻으로 특정 물질이 지니고 있는 질량 자체에도 이미 고유한 에너지가 존재한다를 증명해 냄으로써 태양이 핵융합을 거치면서 질량이 줄어들게 되는 것이 에너지 생성에 관여한다는 것을 구체화하여 밝혀낸 셈이지요.

불타는 태양도 50억년 후에는 더이상 핵융합을 시킬 수소가 고갈되어버린다.

태양은 불타고 있는게 아니라, 폭발하듯 원소가 서로 융합하며 빛을 발산하고 에너지를 뿜어내는 것입니다.

물론 이렇듯 연소하는것이 아니라 폭발하는 것이기 때문에 지구에도 영향이 미치게 됩니다. 특히 태양 플레어, 즉 코로나라고 불리는 태양의 질량 방출, 또는 흑점 폭발이라고 하는 현상은 지자기 폭풍이라는 고에너지 입자 흐름으로 나타나 충격파를 일으키며 초속 450km의 속도로 날아옴으로써 우리가 살고 있는 지구의 자기장을 교란하고 이론적으로는 우리들의 인체에 치명적인 타격을 안겨주기도 하는 것으로 알려져 있습니다. (실제로 태양의 흑점이 폭발하는 시기에 태어난 인간은 평균적으로 5년 정도의 수명 단축이 일어난다는 연구보고가 있습니다.)

하지만 핵융합은 양날의 칼과도 같아 잘만 사용한다면 우리 인간의 삶을 한층 더 풍요롭게 해 줄 수 있는 무한한 에너지원으로 불리기도 합니다. 그 해답은 태양이 수십억 년 동안 저렇게 한결같이 엄청난 에너지를 뿜어낼 수 있는 이유에서 쉽게 찾아볼 수 있는데, 결국 태양은 아주 소량의 원료를 가지고도 엄청난 에너지 효율을 낼 수 있는 원자로와 같은 상태로, 같은 양의 석탄 등의 화석 연료가 배출하는 에너지량을 비교했을 시, 약 백만 배나 효율적인 에너지원이라고 합니다. 그래서 과학자들은 아직도 이 핵융합을 원자로의 동력원으로 상용화하기 위해서 계속 노력하고 있는 중입니다. 그러면 더 이상 석유나 화석연료를 가지고 전쟁을 벌이는 참극을 막고 무한하고 청정한 꿈의 에너지원을 가질 수 있는 것이죠.

현재 개발 중인 한국형 차세대 핵융합 원자로

태양의 핵융합에서 비롯된 인류의 도전은 이제 인공태양을 만드는 것에 다달았습니다. 현재 중국에서는 이미 테스트 모델이 개발되었으며 한국도 차세대 원자로 개발을 통해 인공태양의 꿈을 향해 달려가고 있죠. 이러한 핵융합 방식의 원자로는 기존의 원자력 발전소의 방식과 달리 원료로 방사성 물질이 아닌 수소를 사용하기 때문에 방사능에 대한 위험이 없어 말 그대로 인간에게 있어 꿈의 에너지원과 같다고 볼 수 있습니다. 

앞으로 미래에 우리는 전기료를 내지 않는 세상에 살아갈 지도 모르겠습니다.

 

<루카스매거진 : 자유로운 작가들이 만드는 독립잡지>
작가 : 철학 고양이
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