별의 탄생과 소멸의 경이로움 & 우주는 120억년 전 어떻게 ‘물’을 만들었을까? & 원소들의 족보…우리 몸의 원소들은 어디서 왔을까?

태양계가 생성되는던 때의 물을 보여주는 그림. 지구 바다를 채우고 있는 물은 태양보다 더 오래된 것이라 한다.

삼라만상을 이루고 있는 다양한 물질 중에서 가장 경이로운 존재가 무형으로는 빛, 유형으로는 물이 아닌가 싶다. 지구 표면의 71%를 뒤덮고 있는 물은 수백만 종에 이르는 지구상의 생명들을 빚어냈고, 오늘날에도 뭇생명들은 물에 의지해 생을 영위해나가고 있다. 우리 몸 역시 70%가 물로 이루어져 있다. 따라서 물을 마시지 않고는 단 며칠도 버틸 수 없다. 이처럼 물은 생명에 필수적인 요소이다.

물이 산소와 수소로 이루어진 화학물질이라는 사실을 최초로 밝혀낸 사람은 200여 년 전 프랑스 화학자인 앙투안 라부아지에였다. 1783년 라부아지에가 이 같은 사실을 발표했을 때 사람들은 크게 놀랐다. 왜냐하면 그때까지만 해도 사람들은 고대 그리스의 철학자 아리스토텔레스가 주장한 대로 물이 세상을 이루는 기본적인 물질인 원소라고 믿고 있었기 때문이다. 아리스토텔레스의 까마득한 선배격인 탈레스는 ‘물이 만물의 근원’이라는 일원설(一元說)을 주장하기도 했다.

그러나 세상 사람들보다 더욱 놀란 사람은 그 같은 사실을 알아낸 라부아지에 자신이었다. 수소는 불을 붙이면 폭발하는 기체이고, 산소 역시 불에 무섭게 타는 기체이다. 그러나 이 둘이 결합하면 불을 끄는 물이 된다는 사실을 최초로 알았을 때 라부아지에는 자연의 신비에 전율하지 않을 수 없었던 것이다. 그렇다면 이 물은 언제 어떻게 우주에 나타나게 된 것일까? 아주 최근의 따끈한 발견에 의하면 물은 우주가 탄생한 지 10억 년 남짓 지났을 무렵인 120억 년 전부터 우주에 등장했다고 하며, 인류는 그것을 직접 눈으로 확인까지 했다는 보고가 나왔다.

거대한 우주 저수지. 지구 바닷물 양의 140조 배 이상의 물이 포함되어 있는 초거대블랙홀 천체인 퀘이사 APM 08279+5255. 120억 광년 거리에 있다.

2011년 7월 초거대블랙홀 천체인 퀘이사 APM 08279+5255라는 활발한 은하 부근에서 천문학자들은 거대한 우주 저수지를 발견했다. 그곳 구름에는 지구 바닷물 양의 140조 배 이상의 물이 포함되어 있었다. 상상을 초월하는 어마무시한 수량이다. 그렇다면 물은 우주 초창기부터 아주 풍부하게 우주에 존재했다는 얘기가 된다. 이토록 많은 물은 어떤 경로로 만들어졌을까? 그 경로를 한번 따라가보도록 하자. ​

빅뱅의 우주공간은 수소 구름의 바다였다

138억 년 전 빅뱅으로 우주가 출발한 직후, 태초의 우주공간은 수소와 헬륨으로 가득 채워졌다. 수소와 헬륨의 비율은 약 10대 1 정도였는데, 그 비율은 오늘날까지 거의 변하지 않고 있다. 130억 년 이상 별들이 수소를 태웠지만 우주 전체 규모로 봤을 때는 미미한 양이기 때문이다. 현재 우주의 물질 구성은 수소와 헬륨이 99%를 차지하며 다른 중원소들은 1% 미만이다.

어쨌든 수소와 헬륨 외의 90여 가지 원소들 중 원소번호 26번인 철 이하는 모두 핵융합하는 별 속에서 만들어졌으며, 그 이후 우라늄까지의 중원소들은 모두 거대 항성이 종말을 맞는 방식인 초신성 폭발 때 만들어졌다. 폭발 때의 엄청난 온도와 압력으로 인해 핵자들이 원자핵 속을 파고들어 금이나 우라늄 등 중원소들을 벼려냈던 것이다.

이런 엄청난 고온이나 압력은 지구상에서는 도저히 재현해낼 수 없는 것으로, 옛날 연금술사들이 온갖 방법으로 금을 만들어내려던 것은 사실상 헛고생에 지나지 않은 셈이다. 그 연금술사 속에는 인류 최고의 과학천재 뉴턴도 끼어 있다.

초신성이 터질 때 별 속에서 만들어졌거나 또는 폭발시에 벼려졌던 모든 원소 가스와 별먼지가 우주공간으로 내뿜어진다. 이 별먼지가 바로 성운으로 다른 별을 만드는 재료로 쓰인다. 이른바 별의 윤회인 셈이다. 그러나 별을 만드는 데 사용되지 않은 원소들은 우주공간에 떠돌다가 다른 원소들을 만나 결합한다. 산소 원자 하나가 수소 원자 두 개를 붙잡으면 H2O, 바로 물분자가 되는 것이다. ​이들이 행성이나 소행성들이 만들어질 때 합류한다. 지금도 우주를 떠도는 수많은 소행성, 혜성들은 이 물분자가 만든 얼음덩어리로 되어 있다.

우주에서 물이 생성되는 과정을 축소하여 태양계 버전으로 살펴본다면, 내부 태양계가 물을 수용할 수 있는 방법은 두 가지로, 하나는 위 그림에 나오는 설선 안에서 물 분자가 먼지 입자에 들러붙는 것이고(말풍선 그림), 다른 하나는 원시 목성의 중력 영향으로 탄소질 콘드라이트가 내부 태양계로 밀어넣어지는 것이다. 이 두 가지 요인에 의해 태양계가 형성된 지 1억 년 안에 물이 내부 태양계에서 만들어진 것으로 과학자들은 보고 있다.

원시 태양계를 묘사한 위의 그림에서 보이는 흰 점선은 설선(雪線)이다. 이 선의 안쪽은 따뜻한 내부 태양계로 얼음이 안정되지 않은 상태로 있는 데 반해, 푸른색의 외부 태양계는 얼음이 안정된 상태다.

우주공간에서 만들어진 물은 태양과의 거리에 따라 다른 양태로 존재하게 되는데, 따뜻한 내부 태양계에서는 외부 태양계에 비해 얼음이 안정되지 않은 상태로 있는 데 반해, 푸른색의 외부 태양계는 얼음이 안정된 상태다. 그 경계선을 설선(雪線)이라 한다.

지구 바다는 소행성이 가져다준 것

그렇다면 물의 행성이라 불리는 우리 지구의 바다는 어디에서 온 것일까? 대부분의 과학자들은 지구의 바다가 원래 지구에 있던 물에서 비롯되었다고 보지 않고 있으며, 태양계 내의 어디로부터 온 것이라는 생각을 갖고 있다. 지구 바다의 기원은 종래 소행성과 혜성이 지목되었지만, 최근의 연구에 의하면 거의 소행성의 소행으로 굳어져가는 추세다.

지구 바다의 근원을 결정짓기 위해 과학자들은 수소와 그 동위원소인 중수소의 비율을 측정했다. 중수소란 수소 원자핵에 중성자 하나가 더 있는 수소를 말한다. 우주에 있는 모든 중수소와 수소는 138억 년 전 빅뱅 직후에 만들어진 것으로, 그 비율은 중요한 의미를 갖는다. 물에 있는 이 두 원소의 비율은 그 물이 만들어진 때의 장소에 따라 다르게 나타난다. 그래서 외부 천체에서 발견된 물의 중수소 비율을 지구의 물과 비교해봄으로써 그 물이 같은 근원에서 나온 것인가, 곧 같은 족보를 가진 것인가를 알아낼 수 있는 것이다. 중수소는 지구상에서는 만들어지지 않는 원소이다.

이 중수소의 비율을 측정해본 결과, 지구 바다의 물과 운석이나 혜성의 샘플이 공히 태양계가 형성되기 전에 물이 생겨났음을 보여주는 화학적 지문을 갖고 있는 것으로 밝혀졌다. 이러한 사실은 적어도 지구와 태양계 내 물의 일부는 태양보다도 더 전에 만들어진 것임을 뜻한다.

유럽우주국(ESA)이 67P 혜성 탐사를 위해 띄운 로제타호가 이온 및 중성입자 분광분석기(Rosina)를 이용해 혜성의 대기 성분을 분석한 결과, 지구의 물과는 다른 중수소 비율을 가진 것으로 밝혀졌다. 중수소의 비율은 물의 화학적 족보에 해당하는 것으로, 지구상의 물은 거의 비슷한 중수소 비율을 갖고 있다.

이 같은 로제타의 분석은 혜성이 지구 바다의 근원이라는 가설을 관에 넣어 마지막 못질을 한 것으로 받아들여지고 있다. 이는 또한 우리 행성에 생명을 자라게 한 장본인은 소행성임을 증명하는 것이기도 하다. 물 분자들은 태양과 그 행성들을 만든 가스와 먼지 원반에 포함된 물질이었다. 그러나 38억 년 전의 원시 지구는 행성 형성 초기의 뜨거운 열기로 인해 바위들이 녹아버린 상태여서 물이 존재할 수가 없었다. 지구의 모든 수분은 증발하여 우주로 달아나고 말았던 것이다.

그후 원시 지구는 한때 가혹한 소행성 포격 시대를 겪었다. 이들 천체는 거의 얼음으로 이루어진 것으로, 어느 정도 식은 원시 지구에 대량 충돌해 바다를 만들었다고 과학자들은 생각하고 있다.

원소들이 만들어진 곳을 보여주는 원소들의 족보

우리 몸을 이루는 원소들을 비롯해 삼라만상을 이루는 94개의 자연원소들은 대체 어디서 온 것일까? 지난 수십 년 동안 과학 대중화에 앞장선 사람들이 사용한 가장 강력한 도구는 ‘사람은 별먼지로 만들어졌다’는 구호였다. 말하자면 거의 모든 원소들은 별이 만들어냈다는 얘기다.

물론 빅뱅의 우주공간에 나타난 원소도 있었다. 바로 수소였다. 이것이 우주에 최초로 나타난 ‘물질’로, 예로부터 철학자, 과학자들이 그토록 알고자 했던 만물의 근원, 바로 아르케(Arche)였다. 그 수소 일부가 뜨거운 빅뱅 우주공간에서 핵융합을 일으켜 만들어진 것이 헬륨이다.

이 두 원소 외의 모든 원소들은 별이 만들어냈는데, 그 레시피는 다양하다. 말하자면 원소라고 다 같은 곳, 같은 과정으로 만들어진 것이 아니라 족보가 다르다는 뜻이다.

미 항공우주국(NASA)이 운영하는 ‘오늘의 천체사진'(APOD) 8일자에 모든 원소들의 족보를 한눈에 볼 수 있게 만든 이색적인 도표가 게시되어 독자들의 눈길을 끌고 있다. 도표에서 보이듯이 죽어가는 별 중에서도 가벼운 질량의 별이 만든 원소, 무거운 별이 초신성 폭발을 일으켜 만든 원소, 중성자 별의 충돌로 만들어진 원소, 백색왜성의 폭발로 만들어진 원소 등 갖가지 다른 기원을 가지고 있다.

별을 이루는 원소의 비율은 그 별이 은하의 어느 영역에 있는가에 따라 달라진다. 예컨대 태양은 우리 은하의 나선팔 가장자리에 위치하고 있어 은하 중심부에 비해 산소 등 생명체의 기본 요소들인 중원소 비율이 비교적 적은 편이다.

우리 몸의 수소는 138억 년 묵은 원소

우리 몸을 이루는 원소들은 그 중 어떤 족보를 가진 것일까? 우리 몸의 98.5%는 겨우 6가지의 원소로 이루어져 있다. 바로 산소(O), 탄소(C), 수소(H), 질소(N), 칼륨(K), 인(P)이다. 우리 몸 속의 아미노산, 단백질, DNA, 지방 등은 대부분 이 6가지 원소로 이루어져 있다. 이밖에도 구리(Cu), 철(F) 등 인체의 생체반응에 없어서는 안될 12가지 필수 원소들도 있다.

우리 몸을 이루는 원소들. 그중 수소는 138억 년 전 백뱅 우주공간에서 왔다

우리 몸의 3분의 2를 차지하는 물 분자에 존재하는 수소는 138억 년 전에 있었던 빅뱅 우주공간에서 왔다. 그밖에 우주에는 다른 눈에 띄는 수소 공급원이 없다. 그러니까 우리 몸에는 알고 보면 138억 년 묵은 물질도 포함하고 있다는 얘기다. 기본적으로 원소의 생명은 거의 무한이다.

우리 몸의 탄소는 산소와 마찬가지로 별 내부에서 핵융합에 의해 만들어졌다. 우리 몸에 있는 철의 대부분은 오래 전 먼 별의 초신성 폭발 중에 만들어졌다. 사람들이 애호하는 금과 은은 중성자별들의 충돌에서 나오는 감마선 폭발로 만들어졌을 가능성이 높다.

이처럼 우리 몸을 이루는 대부분의 원소들이 다 별에서 온 것이라 해도, 그 원소의 비율은 별과 아주 다르다. 예컨대, 인체의 질량 중 65%는 산소가 차지하지만, 우주의 별이나 성운 중에 산소가 차지하는 비율은 1%에 못 미친다. 온 우주의 물질 중 수소와 헬륨이 차지하는 비율은 약 98%에 달한다.

위의 주기율표는 알려진 모든 원소의 기원에 대한 인류의 최선의 추측을 나타내기 위해 색상으로 구분되어 있다. 구리와 같은 일부 원소의 핵 생성 위치는 실제로 잘 알려져 있지 않으며, 관찰 및 컴퓨터 연구의 지속적인 주제다.