별 생성 물질은 어떻게 만들어질까?

미 핵융합실험연구소, 별 핵합성 실험

별(항성)은 별과 별 사이의 가스와 먼지가 밀집된 성간운(星間雲)이 수축돼 중심온도가 크게 올라가면서 핵융합 반응이 일어나 한꺼번에 많은 개체가 탄생하는 것으로 알려져 있다.

구체적으로 핵합성(nucleosynthesis)이라는 과정을 통해 가벼운 원자들이 융합돼 더 무거운 새로운 원자핵을 만든다. 핵합성은 핵융합을 비롯한 다양한 핵반응으로 새로운 원소가 생성되는 과정이다.

헬륨이나 알루미늄과 같이 지구에서 발견되는 자연 원소들은 우리 태양과 같은 별의 내부에서 이런 과정을 거쳐 형성됐다.

과학자들은 이 같은 별 생성의 여러 과정을 실험 시설에서 구현해 우주 탄생의 비밀 한 가닥을 풀어보기 위해 노력하고 있다.

미국 국립핵융합시설연구소(National Ignition Facility; NIF) 연구팀은 23일 미국 플로리다에서 열리는 제61차 미국물리학회 플라스마 물리학 분과에서 별의 핵합성과 관련된 핵반응에 대한 최근의 실험연구를 발표할 예정이다.

ALMA 전파망원경 군집에서 촬영한 오리온 성운 모습. 별 탄생 시 폭발에 대한 통찰을 제공한다.  CREDIT: Wikimedia / ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J. Bally/H. Drass et al.

ALMA 전파망원경 군집에서 촬영한 오리온 성운 모습. 별 탄생 시 폭발에 대한 통찰을 제공한다. CREDIT: Wikimedia / ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J. Bally/H. Drass et al.

192개 고출력 레이저로 별 생성 조건 만들어

미국 캘리포니아 리버모어에 있는 NIF는 세계에서 가장 큰 레이저 시설을 갖춘 시설로, 192개의 고출력 레이저를 사용해 별 생성의 조건을 만들 수 있다.

연구팀은 NIF의 레이저 빔 에너지를 축구장 세 개 길이에 해당하는 실험 건물에서 증폭시킨 다음, 벽 두께 18㎛(머리카락 굵기)에 외경 3㎜의 미세 가스 또는 얼음으로 채워진 캡슐 안으로 집속시켰다.

이 캡슐은 직경 10m인 챔버의 중앙에 정교하게 위치해 있다. 이는 마치 개미 한 마리를 스쿨버스의 중앙에 정확하게 배치하는 것과 같다. 이 캡슐에 192개의 레이저 빔을 모두 분사시키자 캡슐은 폭파돼 안쪽으로 붕괴하며 매우 뜨겁고 밀도 높은 별과 같은 조건을 생성했다.

NIF에서 실시한 별 핵합성 연구 실험의 단시간 이미지. 그림의 밝은 중앙에서 태양의 3He-3He 반응이 일어나고 있다. 이 반응을 일으키기 위해 연구팀은 플라스틱 캡슐에 대기압 10배 정도의 가스를 채우고 192개의 고출력 레이저 빔으로 폭발시켜 우주의 별과 같은 매우 뜨거운 고밀도 환경을 만들었다.  CREDIT: Don Jedlovec, LLNL

NIF에서 실시한 별 핵합성 연구 실험의 단시간 이미지. 그림의 밝은 중앙에서 태양의 3He-3He 반응이 일어나고 있다. 이 반응을 일으키기 위해 연구팀은 플라스틱 캡슐에 대기압 10배 정도의 가스를 채우고 192개의 고출력 레이저 빔으로 폭발시켜 우주의 별과 같은 매우 뜨거운 고밀도 환경을 만들었다. CREDIT: Don Jedlovec, LLNL

양성자, 낮은 온도에서 더 높은 에너지 지녀

NIF에서 진행 중인 실험은 태양 안에서 일어나는 기본적인 핵합성 가운데 하나를 연구하기 위한 것이다. 이 핵합성에서는 별과 같은 조건에서 두 헬륨 이온 사이에 3He-3He 반응이 일어난다. 헬륨3(3He)은 지구에서는 거의 존재하지 않는 헬륨의 동위원소 중 하나다.

[그림]에서 나타나는 이 반응은 태양이 수소를 헬륨으로 태울 때 발생하며, 이 반응을 통해 태양에서 생성되는 에너지의 거의 절반이 만들어진다.

프로젝트를 이끈 미국 메사추세츠공대(MIT)의 마리아 가투 존슨(Maria Gatu Johnson) 박사는 “이 실험에서 가장 멋진 점은 초기 연구들과 달리 실제로 별에서 발견되는 것과 맞먹는 온도와 밀도 조건에서 이 반응을 조사하고 있다는 점”이라고 말했다.

가투 존슨 박사는 이번 주 미국 플로리다 로더데일에서 열리는 미국물리학회 플라스마 물리학 분과 회의에서 태양의 3He-3He 반응에서 나오는 양성자가 다양한 조건의 이번 실험에서 어떻게 관측되었는지를 보고할 예정이다.

그는 “놀랍게도, 예비 실험 결과 낮은 온도에서 더 많은 양성자들이 상대적으로 더 적은 에너지가 아닌 더 높은 에너지를 가지고 있는 것으로 보인다”라고 밝혔다.

이 같은 결과는 과학자들이 이 복잡한 반응의 이론적 계산에 중요한 제한 요소를 추가하는 한편, 태양에서의 다른 중요한 반응 과정과 3He-3He 반응의 발생 확률을 측정하는 데 도움을 줄 것으로 보고 있다.

기술진이 NIF 실험 챔버에서 목표물에 레이저 빔 발사 방향을 조정하고 있다.  CREDIT: Wikimedia / Lseaveratnif / NIF

기술진이 NIF 실험 챔버에서 목표물에 레이저 빔 발사 방향을 조정하고 있다. CREDIT: Wikimedia / Lseaveratnif / NIF

내년 2월에 추가 실험 예정

이 실험은 현재 계획으로 2020년 2월에 한차례 더 수행될 예정이다. 가투 존슨 박사는 예정된 실험에서 별과 같은 조건에 도달한 온도의 특성을 더욱 자세히 조사할 계획이다.

이 실험들은 레이저를 사용해 항성과 같은 조건에서 핵합성 반응과 관련 현상을 연구하려는 노력의 일환이다.

공동 주연구자인 로렌스 리버모어 국립연구소의 알렉스 질스트라(Alex Zylstra) 박사는 “고에너지 밀도(high-energy-density)의 플라스마는 우주에서 원소가 생성되는 극한 조건을 재현할 수 있는 이 시설에서만 유일하게 구현이 가능하다”라고 말했다.

연구팀은 이 플랫폼을 이용해 앞으로 다른 핵합성 반응과 관련 현상들을 계속 조사할 예정이다. 이들은 이 새롭고 창의적인 방법을 통해 별을 구성하는 물질들이 어떻게 만들어졌는가를 밝혀낼 것으로 기대하고 있다.

(2025)

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