이론적으로 초기 비균질성이 어떻게 생겨났는지를 인플레이션 장으로 설명하려는 시도는 있으나(빅뱅 혹은 그 이전에 존재했던 진공에서 양자 파동에 의해 인플레이션 팽창이 생겨났다는 추정) 이는 수학적으로 고안해낸 모델일 뿐이고 여전히 관측 결과와 차이가 난다는 것이 현재까지의 결론이다. 다만, 우주의 비균질성은 밤하늘의 별과 하얗게 빛나는 달, 우리가 내딛고 있는 지구를 생각하면 의심의 여지가 없다.
따라서, 왜 비균질 해졌는지 보다는 이러한 비균질로 인해 우주의 구조가 '어떻게' 만들어지게 됐는지에 집중해 보자.
비균질이 만든 중력의 누적 효과
{브라이언그린, 엔드오브타임, 와이즈베리, 3~4장, 2021, 98p, 122p}
초기 우주 물질 속(대부분 수소) 비균질성은 부분적으로 밀도가 높은 지역을 형성하였다. 이로 인해 밀도가 높은 지역에 중력장이 형성되고, 이 중력장이 주변의 물질들을 더 많이 끌어당겨 더 큰 중력장으로 바뀌게 되었다. Part2에서는 중력이 가장 약한 힘이라고 했지만 그것은 입자들 간의 1:1 관계에서만 유효한 등식이다. 중력의 힘은 누적이 되기 때문에 수많은 입자가 쌓아올린 중력은 우주의 질서를 창출한다.
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[토막 상식]
(1) 중력: 모든 입자들 간에 일어나는 즉각적인 상호작용의 힘이다. 가장 약한 힘 (거리에 반비례하며 범위는 무한대)
(2) 전자기력: 전하를 띄는 두 입자들 간 상호작용의 힘이다. 2번째로 강한 힘 (거리에 반비례하며 범위는 무한대)
(3) 강력(강한 핵력): 쿼크들을 붙잡아 양성자, 중성자를 형성하고 그 둘을 결합시켜 원자핵을 형성하는 힘.
==> 양의 전하 값을 가진 양성자들의 전기적 척력을 극복하는 힘, 가장 강한 힘 (범위는 원자핵 정도)
(4) 약력(약한 핵): 인력 & 척력 등의 효과를 만들지 않고 입자를 변화시키는(방사성 붕괴) 일을 한다. 예로는 베타 붕괴가 있다. 세 번째로 강한 힘
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중력이 우주의 질서를 창출하는 순서는 아래와 같다.
(1) 초기 우주 물질이 퍼져있는 공간(분자 구름)에 비균질성 발생되고 이에 따라 비교적 높은 중력 발생
(2) 중력의 중심을 기준으로 그 주변부에 있던 기체는 중심부를 향해 추락하며 속도가 빨라지고 그에 따라 온도가 높아지며(위치 에너지가 열 운동에너지로 변환) 분자 구름은 더욱 수축함 (상대적으로 중심부는 밀도가 높고 뜨겁고, 맨 바깥의 기체들은 밀도가 낮고 차가움)
(3) 열 관점에서 보면 열은 뜨거운 중심부에서 차가운 바깥으로 흐름
(4) 바깥쪽 기체들은 열을 흡수해서 더 크게 팽창하지만 중력의 영향을 받아 속도가 느려지고, 팽창하는 가장자리는 오히려 온도가 내려가게 됨
(5) 중심부는 점점 커지는 중력으로 인해 다가오는 분자들의 속도가 더욱 빨라지며 이로 인해 방출하는 열보다 증가하는 열이 더 많아짐
(6) 시간이 지날수록 중심부와 바깥부의 온도차는 계속 커지면서 위의 (2)~(5) 반응이 더욱더 격렬해지며 자기 증폭 과정을 거침
(7) 중심부의 온도가 1000만K에 도달하면 수소 핵융합 반응이 일어나 수소 원자 4개가 반응하여 1개의 헬륨 원자가 생성되고 부산물로 에너지가 방출됨 (열과 빛의 형태이며, 질량을 잃어버리는 대신 에너지가 생성됨, E=MC^2)
(8) 핵융합에 의한 에너지 방출은 입자의 속도를 빨라지게 하고 이로 인해 외부로 향하는 압력을 만듦. 결국엔, 분자 구름의 중심부로 향하는 중력(수축하려는 힘)과 중심부에서 바깥으로 향하는 압력이 평형을 이루면서 중심부의 자기 증폭 과정은 멈추게 됨
(9) 안정적인 평형상태에서 빛과 열을 발산하는 거대한 천체를 우리들은 별이라 부름
(10) 최초의 별은 빅뱅 후 1억 년 만에 탄생하였고, 질량이 태양의 수백~수천 배에 달하다가 자체 중력을 못 이기고 블랙홀이 되거나 그보다 질량이 작았던 경우에는 초신성 폭발로 무거운 원소들을 사방에 뿌림
(11) 이때 발생한 충격파가 별을 만났을 때는 별의 내부를 관통하면서 원자핵의 융합을 촉진하고, 분자 구름을 만났을 때는 밀도를 더 높여주는 역할을 하여 차세대 별로 자라나게 하는 자양분이 됨
무거운 원소의 탄생
{존 핸즈, 코스모사피엔스, 소미미디어, 2022, 224p}
중력과 내부 압력(바깥으로 향하는)이 평형을 이룬 별은 질량에 따라 그 운명이 나뉜다. 하지만 결과적으로 어떤 형태든 별의 최후의 순간에는 갖고 있던 에너지를 다시 방출해 새로운 별의 거름이 되어준다. 아래의 과정을 통해 우주에서 자연적으로 약 95개의 원소들이 만들어진다. 이들 중 우주 질량의 대부분은 수소(75%), 헬륨(23%)이 차지한다.
<별의 질량이 태양의 2배~8배 수준인 경우>
(1) 수소 핵융합도 결국엔 수소라는 연료가 있어야 가능한 일이다. 중심부의 수소가 모두 연소되고 나면, 중력을 대응할 만한 내부 압력이 발생하지 않기 때문에 별은 붕괴하기 시작한다. 다시 말하자면, 중력이 지배했던 상태로 돌아감
(자기 증폭으로 인해 내부의 온도가 계속 올라가는 현상)
(2) 별의 중간층에 있던 수소는 높은 온도로 인해 헬륨 껍질을 만들고 내부에 있던 헬륨을 감싸게 됨
(3) 이 반응으로 열이 더 많이 생성되는데 열전달로 인해 바깥에 있던 수소층이 팽창하게 됨
(방출하는 빛의 파장이 길어 적색 거성이라 부름)
(4) 내부에 있던 헬륨은 헬륨 핵융합 반응으로 1억K까지 올라가고 탄소를 만들게 됨, 다시 핵융합 반응이 일어났기 때문에 내부압력(바깥으로 향하는) 생성되어 평형상태를 이룸
(5) 위 과정은 별의 질량(질량에 비례한 중력 수축을 통해 핵의 온도를 최대한 올릴 수 있는 능력)에 따라 멈추기도 하고 지속되기도 함
(6) 헬륨이 고갈되어 탄소 생성이 안되면, 외곽은 행성상성운이 되어 자신의 대기층을 방출하고(항성풍) 중심부는 백색왜성이 됨
<별의 질량이 태양의 8배 이상인 경우>
(1) 동일한 메커니즘이지만, 질량이 충분히 크기에 탄소 이후에 질소 & 산소 & 철 등 더 높은 원자 값을 가진 원소를 핵융합을 통해 생성함 (초거성)
(2) 이후 추가적인 핵연료가 고갈되면 마찬가지로 붕괴 과정으로 들어간다. 중간 크기의 별은 중성자들이 모두 으깨져 중성자별이 되고 보다 큰 별은 더욱더 붕괴되어 블랙홀로 변함
(3) 중력 붕괴로 인해 별은 갖고 있던 대부분의 질량을 빛과 열 혹은 충격파의 형태로 우주 공간에 (성운을 이룸) 쏟아낸다. 이를 초신성 (밝기가 수억 배 밝아짐)이라 하며 이때의 엄청난 에너지로 인해 철보다 무거운 원소들이 합성됨
3세대 별 - 태양
{브라이언그린, 엔드오브타임, 와이즈베리, 4장, 2021, 123p~124p}
천문학자들이 분석한 태양 구성 성분에 의하면 태양은 빅뱅 이후 탄생한 별들의 손자뻘 되는 3세대 별이다.
46~47억 년 전 초신성의 폭발로 인해 생긴 충격파가 수소와 헬륨 그리고 미량의 무거운 원소들이 모여있는 원소 구름(성운)을 관통하여 주변보다 높은 밀도가 형성이 되었고 높은 밀도는 상대적으로 강한 중력을 형성하였다. 수십만 년 후 수축이 진행되면서 돌기 시작한 성운은 (1) 중심부는 중력으로 인해 안으로 낙하하는 물질의 위치에너지가 운동(열)에너지로 바뀌기에 뜨거워진다. (2) 반경이 줄어들면서 각운동량을 보존하기 위해 성운은 더 빨리 회전한다. ==> 피겨 스케이트 선수가 회전하다가 팔을 오므리면 회전 속도가 빨라지는 것처럼 (3) 가스와 먼지 입자들이 충돌하면서 순각운동량의 방향을 좋게 하기 위해 움직임을 평균화시키면서 성운이 편평해져 회전 원반 모양을 취한다. ==> 피겨 스케이트 선수의 옷이 바깥쪽으로 뻗는 것처럼 이렇게 형성된 나선형 성운은 폭이 240억 킬로미터 정도였다.
이 과정 이후 5천만 년에서 1억 년까지 자기 증폭 과정(내부 밀도 & 온도 증가, 바깥쪽 밀도 & 온도 감소 = 전체적인 엔트로피는 증가)을 거치다가 중심부의 온도가 1000만K를 넘어서 수소 핵융합 반응을 시작해 우리의 모항성인 태양이 탄생한다. (원반의 형성은 완전하지 않았기에, 얼음과 먼지로 이루어진 덩어리들이 원반과는 다른 각도로 회전하였고, 이들은 후에 혜성이 된다.)
태양의 파편 그리고 지구의 탄생
{브라이언그린, 엔드오브타임, 와이즈베리, 4장, 2021, 124p}
태양 주위에 있던 회전 원반의 파편들은 자체 중력으로 뭉쳐 태양계 내의 행성으로 진화한다.
가스형 행성: 회전 원반의 파편 중 휘발성이 강한 물질(수소, 헬륨, 메탄, 암모니아, 물)은 태양풍에(태양 복사에너지에 의해 밀려나는 이온과 전자) 의해 멀리 떠밀려 태양계 외곽까지 가게 되고 그곳에서 중력에 의해 응집해 목성, 토성, 천왕성, 해왕성을 이뤘다.
소행성대: 메탄, 수증기, 황화수소처럼 비교적 무거운 분자들은 원반의 중간 지점에서 규산염으로 이뤄진 먼지와 부딪혀 무거운 알갱이들이 되었고 주변에 미행성체군을 형성한다. 목성에서는 너무 멀리 떨어져 있어서 태양 주위를 도는 소행성 벨트가 된다.
바위형 행성: 회전 원반의 파편 중 무거운 물질(철, 니켈, 알루미늄 등)은 복사에너지에도 멀리 떠밀려가지 않아 비교적 태양 가까이 존재할 수 있었고, 커져가는 중력으로 인해 인근에 있던 미행성체들을 잡아당기며 부착해나가면서 크기를 키워 지금의 수성, 금성, 지구, 화성을 이뤘다.
태양의 나이와 지구의 나이는 언뜻 생각하면 큰 차이가 있을 법하지만 모두 46억 살 정도로 비교적 동년배이다. 그리고 지구가 미행성 부착 과정을 통해 지금의 크기를 형성한 건 39~40억 년 전쯤이다.
지구의 핵(내핵{고체} + 외핵{액체})은 대부분 철(85%)로 이루어져 있으며 일부 니켈(10%)도 함유하고 있다.(지구 자기장 형성에도 깊은 관련이 있다.)
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[토막 상식]
지구 자기장: 지구 외핵은 철과 니켈 등으로 구성된 유체로서, 내부의 온도 차이 등에 따른 대류로 인하여 끊임없이 움직이게 된다. 따라서 마치 발전기가 전기를 생산하듯이 유도전류가 만들어지고, 이로 인하여 지구의 회전축을 따라 지구자기장이 형성된다.
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달의 탄생
{존 핸즈, 코스모사피엔스, 소미미디어, 2022, 293p}
지구가 처음 생성되고 5천만 ~ 1억 년이 지났을 무렵, 지름 6000km의 화성 정도 크기의 테이아(Theia)라는 행성이 지구와 충돌하여 지구의 지각은 모두 증발하였고 맨틀의 일부도 증발하였다. 두 행성의 핵은 물방울처럼 합쳐졌고 이는 지구의 핵이 자신의 크기에 비해 비교적 큰 이유(테이아의 핵과 합쳐짐)와 태양계 내에서 가장 높은 밀도를 가진 것 + 지각이 왜 수성, 금성에 비해 더 얇은지를 설명해 준다.
수천 km를 날아가 증발한 지각과 맨틀의 파편은 다시 자체 중력으로 응집하여 하나의 천체를 형성하였고 지구의 중력장 안에 갇히게 되어 태양계 내에서 가장 큰 위성이 되었으니 우리는 그것을 달이라 부른다.
<충돌의 흔적>
(1) 지구의 자전축이 공전면에 대하여 23.5도 기울어져 4계절이 존재
(2) 밤하늘의 달 (지구의 맨틀 성분과 유사)
(3) 지구의 적도 부위가 불룩하게 튀어나옴
(4) 지구 맨틀 최하층에 지구의 것보다 2~3% 더 높은 밀도의 물질이 지구 전체 질량의 6%를 차지하는 양으로 존재
(달을 만들고 사라진 남은 테이아의 질량과 얼추 맞음)
행성에 생명이 자라나기 위한 6가지 조건
{존 핸즈, 코스모사피엔스, 소미미디어, 2022, 293p}
태양은 우주상에 있는 수많은 별들 중 하나기에 그 별들에 딸려있는 바위형 행성들은 지구 말고도 흔하게 존재할 것이다. 하지만, 생명의 관점에서 보면 이야기가 달라진다. 고도의 유기 화합물인 생명이 자라날 수 있는 조건은 아래에 설명하겠지만 상당히 까다로우며, 지구는 그 관점에서 보면 우주 전체에서는 아니더라도 이 은하 내에서는 희귀한 행성이라 할만하다.
<생명이 자라나기 위한 조건으로 바라본 지구>
(1) 필수적인 원소와 분자: 복잡한 분자를 형성하려면 탄소를 필요로 하고, 생화학적 작용의 매개체 역할을 하려면 물이 필요한데, 지구는 이 두 필수 원소가 풍부하다.
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[토막 상식]
탄소: 공유 결합을 하려는 경향이 매우 강해 생체 분자라고 불리는 방대하고 복잡한 구조를 만들어내기에 생명체를 위해서는 필수적이며, 유기화합물의 근간이다.
물: 수소 결합으로 인해 섭씨 0~100도 내에서(생명의 생화학적 반응이 일어나기 좋은 이상적인 온도 구간) 액체 상태로 존재 가능하며, 용매와 전도체로서의 역할이 탁월해 영양소를 유기체 내의 반투과성 세포막으로 흡수시키고, 노폐물은 배출시켜준다.
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(2) 행성의 질량: 질량이 너무 작으면 중력이 약해 휘발 물질을 잡아두기 힘들고, 질량이 너무 크면 거대 가스 혹성으로 변하기에 적절한 질량의 행성이 필요하다. 그런 의미에서 지구의 질량은 적절하다. (지구의 3분의 1보다 작아서는 안된다는 것이 대다수 과학자들의 일치된 의견)
(3) 에너지의 원천: 행성의 온도를 유지하기 위해서는 외부 혹은 내부로부터 에너지를 받아야 하는데 지구는 다양한 원천이 있었다.
첫째, 태양 복사에너지(열)
둘째, 지구 형성 초기의 미행성체 충돌로 인한 열에너지
셋째, 지구 자체 중력으로 인해 중심부 물질의 위치에너지가 열에너지로 전환
넷째, 우라늄 토륨과 같은 원소들의 방사성 붕괴를 통한 열에너지
(4) 온도와 범위: 위 네 가지 원천 중 가장 큰 역할을 하는 것은 태양 복사 에너지이다. 지구가 받는 복사에너지의 양은 지구가 갖고 있는 조건에 따라 달라진다. a. 태양에서 방출되는 복사에너지의 양 b. 태양에서 떨어져 있는 거리 c. 복사에너지를 반사할 수 있는 양(대기에 의해) d. 낮과 밤의 시간(낮에 흡수한 복사에너지를 밤에 배출하므로) e. 온실효과에 의해 다시 반사되는 복사에너지의 정도
만약에 위 다섯 가지 조건이 적절히 조화되지 않아 온도가 너무 높으면 유기 분자 내의 결합이 파괴되고, 너무 낮으면 생화학적 작용이 너무 느리게 진행됐을 것이다. 하지만, 다행히도 지구의 평균온도는 섭씨 15도 정도였고(물이 액체로 존재할 수 있는 구간) 이로 인해 생명체를 만들고 유지하는 생화학적 반응이 일어나기에 적한 온도가 유지됐다.
(5) 위험한 복사와 충격으로부터 보호: 지구는 대기권(오존층)과 자기장을 갖고 있는데 이는 태양풍(복사에너지)으로부터 지구의 생명체를 보호해 준다. 대기권이 불안정하면 바다 또한 형성되기 어렵다.(생명의 요람) 또한 소행성대 너머에 있는 목성의 거대한 중력으로 인해 지구는 수많은 혜성의 충돌로부터 보호받는다.
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[토막 상식]
지구의 대기권: 지구 대기는 단파 태양방사 (solar radiation)를 흡수하고, 장파를 우주로 내보낸다. 대기가 없으면 지구 온도는 섭씨 영하 18도로 내려갈 테고, 따라서 지구 표면은 영구히 얼음으로 뒤덮일 것이다. 미량 가스는 우주로 나가려는 적외선의 일부를 흡수해 지구의 방사 균형 (radiation balance)에 변화를 주고, 지구의 표면 온도를 올린다. 그 때문에 물이 존재할 수 있고, 물이 증발해 수증기가 대기 중으로 들어간다. 수증기 또한 우주로 나가려는, 보이지 않는 적외선파를 흡수한다. 이 모든 것이 결합해, 미량 가스와 수증기가 없는 경우보다 지구 표면이 섭씨 33도 올라간다. 그리하여 세계 평균온도가 섭씨 15도로 유지되며, 많은 형태의 생명체가 살아갈 수 있는 것이다.
출처: 바츨라프 스밀, 세상은 실제로 어떻게 돌아가는가, 김영사, 2023, 318p
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(6) 안정성: 위와 같은 5가지 조건이 40억 년 동안 유지되어 왔다.
지구 입장에서 보면 달가운 일이 아닐 수 있지만, 우연하게도 생명이 자라기 좋은 조건이 자리 잡게 되었다. 이 조건은 지구에 기생해 살아가는 생명들이 어떻게 행동하느냐에 따라 유지될 수도 있고 지속될 수도 있다. 어찌 되었든 현재 우리는 단 한 명도 빠짐없이 그 기로에 서있다.
+주저리 주저리
차후에 자세히 다루겠지만, 대양 속에서 광합성을 하는 박테리아의 활동이 제약을 받게 되면 대기 중에 이산화탄소 양은 어마 무시하게 증가한다. (온도를 일정 수준 유지하려는 지구의 피드백 작용이 망가짐) 바다로 둘러싸인 지구의 건강을 책임지는 데 있어 범 지구적인 노력이 절실히 필요하지만 법적 강제력이 미비한 상태에서 각 국민국가의 이권이 우선인 현시대에 해양기구들이 어떠한 효력을 발휘할지는 의문이다.
+해양 오염의 주범은 무단 투기 + 유실된 어망 & 어구, 섬유 세탁 시 세탁기에서 나오는 미세플라스틱들이다. 플라스틱 빨대 이런 것이 아니라..
Part4에서는 생명과 생물의 진화에 대해 살펴보겠다.
<참조한 서적>
- 엔드오브타임(브라이언 그린, 와이즈베리, 2021.02.15.)
- 코스모사피엔스(존 핸즈, 소미미디어, 2022.01.27.)
- 세상은 실제로 어떻게 돌아가는가(바츨라프 스밀, 김영사, 2023.03.09.)
본 글은 네이버 블로그에서 발행했던 글입니다. https://m.blog.naver.com/gb145/222838323402
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