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우주의 구조

최근의 천체 물리학은 우주에서의 여러 가지 불가사의한 현상을 발견해 냈으나, 그것을 설명하는데 양자론이나 상대성 이론 등이 이용되는 등 거시적 세계와 미시적 세계와의 관련은 점점 더 가까워지고 있다.

팽창하는 우주

膨脹－宇宙 대형 망원경이 만들어짐에 따라 10억 광년 저쪽의 은하도 관측할 수 있게 되었다. 그 결과 먼 곳에 있는 어두운 은하일수록 개개의 원소 스펙트럼선이 한결같이 붉은색 쪽에 가깝다는 사실을 알아냈다. 도플러 효과를 적용해 볼 때 이 관측 결과는 멀리 있는 은하가 점점 후퇴하고 있다는(지구로부터 멀어져 간다) 것을 나타내고 있다. 선 스펙트럼 편재에서 구해진 후퇴 속도는 그 은하까지의 거리에 거의 비례하고 있다. 이것을 허블(hubble)법칙이라 한다. 이 사실은 우주가 약 100억 년쯤 전에는 현재보다 훨씬 작았으나, 그 후 팽창을 계속하고 있다는 것을 암시하고 있다. 이 이론을 팽창 우주론이라 한다. 실제로 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서도 우주가 팽창하고 있다는 해석을 얻을 수 있다. 또 방사성 우라늄에서 생긴 납의 동위원소비의 측정에 의한 연대 측정법에 의해 운석의 연령은 약 45억년 정도라고 추측하고 있다. 이 결과는 지구나 태양계의 나이를 나타내는 것이다. 1965년 벤디아스와 윌슨이 우주 통신 위성으로부터 전파를 수신하는 안테나의 잡음을 조사하고 있을 때, 천체의 어느 방향으로 안테나를 돌려도, 불가사의한 잡음이 남아 있다는 것을 알았다. 이와 같은 현상은 우주는 아득한 옛날에는 뜨거운 불덩어리였으며, 그것이 점점 냉각되어 현재는 우주 전체에 3K의 복사가 이루어지고 있다고 생각하면 이해하기 쉽다. 이것은 가모츠가 1946년에 제창한 이론이다.

별의 진화

辰－進化 짧은 시간밖에 관측할 수 없는 인류에게, 어떻게 웅대한 천체의 진화 과정을 탐구 규명할 수 있을까? 그 길잡이가 되는 것으로서 헤르츠스프룽 러셀도(HR도)가 있다. HR도란 가로축에는 별의 밝기의 대수를, 세로축에는 절대온도하에서 측정한 별의 표면 온도를 표시하여 여러 가지 별의 관측 데이터를 각축에 대응시켜 점을 찍은 것이다. 점 찍은 위치에 의해 별의 특징이 나타난다. 아래에 있는 별은 반지름이 작은 백색 왜성이라 불리는 별이고, 오른쪽 위에 있는 별은 반지름이 큰 적색거성이라 한다. 특히 흥미있는 것은 많은 별이 모여 있는 성단이다. 1개의 성단 내에 있는 별은 거의 비슷한 거리에 있으므로 외관상의 밝기와 절대적인 밝기와의 관계가 같아서 정확하게 HR도상의 위치를 파악할 수 있다. 더욱이 이들 별의 점찍은 것에서 별의 HR도상에서의 진화 과정을 알 수 있다. 산개 성단 묘성은 거의 주계열상에 배열된다. 그러나 구상 성단의 경우에는 주계열의 왼쪽 위가 없어져서 오른쪽 위로 진행하여 적색 거성이 된다. 또다시 그곳에서 왼쪽으로 진행해서 변광성이 되기도 하고 초신성이 되어 폭발해 버리는 것이 아닌가 생각된다. 이와 같은 관측 사실을 설명하기 위한 별의 진화 모델이, 핵물리학의 지식을 이용하여 고안되었다. 별의 주성분은 수소이지만 복잡한 핵융합 반응이 별의 내부(수천만 도라 추측된다)에서 일어나서 수소는 헬륨으로 변화된다고 추측된다. 그때 헬륨의 결합 에너지에 상당하는 막대한 에너지가, 열이나 빛 혹은 뉴트리노로서 방출된다. 수소의 연소 찌꺼기인 헬륨이 점점 별 내부에 축적되면 별의 반지름이 커짐과 동시에 별은 밝기가 증가되고 거성이 된다. 헬륨은 중심 온도가 높아지면 핵융합을 일으켜 탄소나 마그네슘 등으로 변화한다. 그리고 최후에는 철이라는 결합 에너지의 가장 큰 안정된 핵이 형성되고 그것이 별의 중심에 축적된다. 철의 중심이 생기면 중력에 의해 점점 수축된다. 어떤 때는 급속하게 수축됨으로써 내부로 향해서, 물질을 눌러 파괴하는 폭축이라는 현상도 추측할 수 있다. 내부를 향한 물질이 중심 가까이에서 퍼지면 별의 폭발이 일어날 것이다. 별의 폭발이라는 현상은 초신성이라는 이름으로 잘 알려져 있다. 1054년에 일어난 해성운의 폭발은 유명하다. 이 별은 낮에도 보일 만큼 밝고 갑자기 나타나서 사람들을 놀라게 하였다. 그때 날린 가스는 지금도 초속 1,000km 이상의 속도로 퍼져나가고 있다. 이제 우리는 별의 일생을 대충 짐작할 수 있다. 시초는 별 사이의 물질이 중력에 의하여 차츰 굳어져서 높은 온도의 별이 탄생한다. 그 도중 100일 정도에서 급속히 밝기가 변화하는 시기가 있다. 이 현상을 임(林)페이스라 부르고 있다. 오리온 좌의 FU성은 1937년에는 보이지 않았는데 3개월 정도에서 갑자기 밝아지기 시작해서 붉은 별이 되었다. 이같은 별이 106년이나 107년 지나면 주계열의 별로 자리를 굳힐 것으로 추측된다. 주계열에 속하는 별이 되어 오랜 세월이 지난 후, HR도상을 오른쪽 위로 이동하여 적색 거성이 되고, 그 후 복잡한 진화를 거듭함으로써 마침내는 초신성이 되어 폭발하기도 한다. 표면 온도는 높지만 반지름이 지구 정도밖에 되지 않는 조그마한 별(백색 왜성)이 되기도 한다. 초신성으로 폭발한 나머지가 중성자성이라 불린다. 이 별은 반지름이 약 10km 정도지만 l㎤당 수억 톤이라는 엄청난 고밀도이다. 다시 말해 거대한 원자핵과 같은 것으로서, 그 주성분은 중성자일 것이라 추측되고 있다. 1968년 해성운의 중심에 있는 어두운 별이 1/30초 주기로 전파의 펄스(pulse)를 방출하는 것이 발견되었다. 전파뿐만 아니라 가시 광선이나 X선에도 펄스가 있다는 것이 밝혀졌다. 이와 같은 천체를 펄서(pulser)라 부르고 있다. 이렇게 해서 별 사이의 물질에서 별이 탄생, 성장, 그리고 사멸된다는 별의 일생이 밝혀져 온 것이다

원소의 기원

元素－紀元 우주는 처음에 뜨거운 불덩이 같은 것이었다고 믿어진다. 중성자는 높은 밀도로 존재하다가 β붕괴되어 양성자로 변화한다. 그 양성자가 중성자와 결합하면 중양자가 된다. 이와 같이, 원자핵이 중성자를 포획하는 핵반응을 통하여 무거운 원소가 만들어진 것이라고 가모브는 생각하였다. 이 이론에 의하면 여러 원소는 우주 창조의 30분이나 1시간 후에 만들어진 것이 된다. 그러나 이 이론만으로는 원소의 기원을 정확히 설명하기 어렵다. 별의 진화 과정에서는 내부에서 일어나는 핵융합 반응의 결과 무거운 원소가 형성된다. 우주의 진화와 함께 무거운 원소도 조금씩 만들어졌다고 추측된다. 무거운 원소가 우주로 뿌려지기 위해서는 초신성이 주된 역할을 한것이라 추측되고 있다. 초신성의 폭발시에는 가모브가 우주 초기의 원자 생성을 가정한듯한 중성자포획 반응에 의해 많은 종류의 무거운 원소가 생성될 것이다.

블랙 홀

black hall 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 큰 천체가 급속하게 수축할 때에, 일단 빨려들어가면 다시 나올 수 없는 함정과 같은 것이 만들어질 가능성이 있다는 것을 예언하였다. 이 함정과 같은 것을 블랙 홀이라 한다. 블랙 홀이 실재하고 있다면 빛도 흡수되므로 직접 눈으로 볼 수는 없다. 최근 백조좌 X－1이라는 X신성이 5, 6일 주기로 회전하는 연성이라는 것을 알았다. X선을 방사하는 정체가 확실하지 않는 천체와 보통 별이 연성계를 이루고 있는 것 같다. 이 정체 불명의 천체 중심에 블랙 홀이 있고, 그곳에 떨어져 흡수되는 가스의 흐름에서 X선이 방출되고 있다고 추측된다.