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무거운 원소들은 어디서 왔을까?
2019년 07월 17일
1
[침묵은 금]
[금이야 옥이야]
[반짝인다고 모두 금은 아니다]
동서고금을 막론하고 금(金)은
부와 권력의 상징으로 여겨져 왔다.
2
그 이유는 바로
반응성이 거의 없기 때문이다.
말 그대로 변하지 않는 성질을 갖고 있기에
인류 역사 내내 안정적인 가치를 자랑한다.
3
그런데 이런 금이 사실
외계의 선물이라면?
지금까지 과학자들은
금, 우라늄, 납과 같은 무거운 금속 원소들이
어디에서 왔는지를 추측해 왔다.
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철, 규소 등 무거운 원소는 보통
별의 내부에서 일어나는 핵융합 반응으로 생긴다.
엄청난 압력과 온도를 통해
원자핵이 서로 융합하면서 무거워지는 것이다.
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그런데 철보다 무거운 금속 원소들은
이런 핵융합 반응으로도 만들어지기 힘들다.
너무 불안정해 쉽게 붕괴되기 때문이다.
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그렇다면 무거운 원소들은 어디에서 왔을까?
지금껏 가장 유력했던 이론은
[중성자별과 중성자별의 충돌]에서
나온다는 것이었다.
설명: 중성자별간 충돌을 묘사한 그림
출처: European Space Agency
7
두 천체간 충돌은
고온의 파편과 중성자 소용돌이 등을 발생시킨다.
여기에 풍부히 모여 있는 자유 중성자(Free neutron)가
기존의 금속 원소와 결합해 더 무거운 금속 원소가 된다.
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다만 이는 이론상으론 적절해도
실제 증명하기는 어려운 이론이었다.
그런데 2017년 여름, 우연히 검출된
중력파 신호(GW170817)에서
과학자들은 그 실마리를 찾았다.
설명: 한국천문연구원 KMTNet 남아공 관측소가 포착한 GW170817의 모습
출처: 한국천문연구원
9
중력파는 거대한 질량의 물체가
가속운동할 때 시공간 중력장이 뒤틀리면서
발생하는 아주 미약한 파장이다.
2017년 검출된 중력파 신호는
약 1억3000만 광년 떨어진 곳에서 일어난
중성자별간 충돌을 담고 있었다.
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이에 전 세계 45개국 약 3500여 과학자들이
공동으로 이를 추적한 끝에
중성자별 충돌 현상을 관측할 수 있었다.
그리고 실제 그 과정을 통해 무거운 원소가
만들어 진다는 사실이 확인됐다.
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그리고 약 2년 후인 2019년 6월,
여기서 한 발짝 더 나아간 새로운 연구가 소개돼
많은 이들의 관심을 모으고 있다.
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네이처, 사이언스 얼러트 등 외국 과학저널은 최근
중성자별끼리의 충돌이 아닌,
초신성 폭발에 주목한 학자들의 주장을 소개했다.
캐나다 궬프대(University of Guelph) 연구팀이다.
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초신성 폭발은 한 마디로
아주 무겁고 큰 별이 마지막으로 폭발하며
에너지를 방출하는 현상이다.
이후 남은 중심핵이 중력붕괴를 통해 초고밀도로 수축,
중성자별이나 블랙홀이 된다.
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그 과정에서 다량의 중성자가 방출되고,
이 중성자들이 다른 원자핵과 결합하면서
무거운 원소가 만들어진다는 분석이다.
연구팀은 슈퍼컴퓨터를 이용해
초신성의 폭발 현상을 시뮬레이션했다.
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그 결과 붕괴성(collapsar) 모델이라 불리는
희귀한 형태의 초신성 폭발에서 특히 엄청난 양의
무거운 원소가 방출되는 것으로 드러났다.
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연구팀에 따르면
현재 존재하는 무거운 원소의 80%가
이 과정에서 생긴 것이라고 한다.
이는 2017년 연구로 대세에 등극한 중성자별 충돌설에
강력한 도전장을 내미는 것이다.
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다만 이 역시 [이론]을 넘어
[증명]이 중요한 상황이다.
연구팀은 오는 2021년 배치될
최첨단 제임스 웹 우주 망원경(JWST)을 통해
좀 더 명확한 관측 자료를 얻을 수 있을 것을 기대했다.
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지금까지 과학의 발전은
수없이 기존 이론을 증명하고, 반박하는 과정을 통해 이뤄져 왔다.
무거운 원소의 발생을 둘러싼
새로운 연구를 통해 우주의 진리에 한 걸음 더
다가갈 수 있기를 바란다.
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