핵합성

核合成, 원소합성, Nucleosynthesis 원소창조

핵융합이나 핵분열 등으로 새로운 원소가 만들어 지는 과정. 특히 천문학에서는 수소, 헬륨 등 우주의 기본적인 가벼운 원소에서 탄소, 철, 금 같은 금속 등 중원소가 만들어지는 과정을 주로 말한다.

태초에 빅뱅이 일어났을 때는 10³² K 정도의 엄청난 초고온이지만 우주가 급팽창하면서 단열냉각으로 온도가 떨어져 10초~몇 분 정도 후에는 10억 K 정도로 식으면 쿼크들이 결합해 양성자(=수소 이온) 와 중성자가 생성되게 된다. 이 양성자와 중성자들이 고온에서 서로 충돌 결합하면 수소와 헬륨이 된다. 그 외 약간의 중수소가 생성되고, 극미량의 리튬, 베릴륨도 생성된다. 그후 20분 정도 시간이 지나면서 온도가 더욱 떨어져 핵합성은 멈추고 더이상 일어나지 않게 된다. 이 과정을 빅뱅 핵합성이라고 한다. 이때 생성된 원소들이 초기 우주를 이루는 원재료이자 이들 원소들의 초기우주 구성비율이 된다. 대충 수소가 75%, 헬륨이 25% 중수소가 0.01%이다. 그 외 리튬, 베릴륨 등 기타 원소의 초기 핵합성 량은 10^-10 정도의 극미량에 불과해서 수소와 헬륨을 제외하고는 현재 우주에 있 기타 원소의 대부분은 나중에 항성이나 초신성에서 만들어 진 것들이다.

참고로, 원자번호가 5 이상인 붕소, 탄소 등 베릴륨보다 무거운 모든 원소는 나중에 항성 핵융합에서 만들어지거나 초신성의 폭발 등에서 핵합성에 의해 만들어진 원소들이다. 이런 리튬보다 무거운 원소들을 통털어 천문학에서는 금속이라고 부른다. 탄소나 산소 등도 천문학에서는 금속이다.

태양같은 주계열 항성은 수소를 핵융합하는 양성자-양성자 연쇄 반응을 이용한 핵융합으로 헬륨을 만들어 낸다. 좀더 온도가 올라 갈경우 CNO 순환을 통해서도 헬륨이 만들어 진다. 중심핵에서 수소가 거의 다 소진되고 헬륨이 쌓이면 중심핵은 빛을 낼 수 없어 중력을 지탱하지 못하고 자체 중력으로 압축되어 온도와 압력이 크게 올라간다. 그래서, 중심핵의 온도가 1억 K이 되면 이번에는 헬륨이 핵융합을 시작해서 탄소를 합성한다.

탄소를 합성하기 위한 과정을 '삼중알파과정'이라고 하는데, 간략하게 설명하면 2개의 헬륨이 합쳐져서 베릴륨이 되고, 베릴륨과 헬륨이 합쳐져서 탄소가 된다. 자세한 내용은 위키 참조 이외에 추가적인 알파 과정이 있는데, 탄소+헬륨 => 산소, 산소+헬륨 => 네온, 네온+헬륨 => 마그네슘 등으로 변화하는 과정이 존재한다.

안정적으로 탄소가 존재하는 환경에서는 CNO 순환 과정을 거쳐 질소(N), 산소(O), 플루오린(F) 등이 생성된다.

이런 중심핵에서 헬륨을 태워 탄소를 핵합성하는 별이 적색거성. 갈색왜성에서는 리튬 핵융합이 일어난다. 그 외 다양한 항성의 진화단계에서 더욱 고온의 별에서는 탄소, 네온, 산소, 규소 등이 핵융합해서 원소의 주기율표에서 탄소에서부터 철사이의 원소들이 주로 합성되고 또 중성자 포획 등 다양한 과정으로 소량의 더욱 무거운 중원소들이 핵합성된다. 작은 별에서 주로 가벼운 원소들이, 크고 온도가 높은 별에서는 무거운 원소들이 합성된다.

수소가 핵융합 하여 헬륨을 만드는 과정이다.

수소가 핵융합 하여 헬륨을 만드는 또하나의 과정인데, 여기에 탄소, 질소, 산소가 촉매처럼 동작한다.

항성의 질량이 더 높다면 이 과정중에 플루오린이 생성될 수 있다.

3개의 헬륨이 탄소를 만드는 과정이다.

태양 질량의 8배 이상인 항성인 경우 2개의 탄소가 충돌하여 네온, 나트륨, 마그네슘 등이 생성된다.

네온과 헬륨과 충돌하여 마그네슘을 생성한다.

2개의 산소 원자가 충돌하여 규소, 인, 황 등이 생성된다.

규소원소에 헬륨이 충돌하여 황이 만들어 지며, 여기에 헬륨 충돌하는 과정을 통해 계속 큰 입자를 만들어 내는데, 아르곤, 칼슘, 티타늄, 크로뮴, 철, 니켈까지 만들어진다. 단 니켈은 붕괴하여 코발트를 거쳐 철이 된다.

즉, 일반적인 핵융합으로 만들어 지는 원소의 종착지는 철이다. 이보다 큰 원소를 만드는 경우에는 에너지를 방출하는 것이 아니라 흡수한다.

철 보다 무거운 원소는 중성자 포획이나 양성자 포획으로 만들어지며 초신성이나 적색거성같은 큰 별에서 만들어진다.

초신성에서는 별에서 규소에서 니켈등이 주로 핵합성되고 별에서 만들어지기 어려운 철보다 무거운 원소들도 다양한 핵합성 과정을 통해 합성되어 우라늄이나 플루토늄은 물론이고 그보다 무거운 원소까지도 생성된다. 하지만 역시 대체로 무거운 원소들은 핵합성이 어려워서 구성 비율이 낮다. 무거운 금이나 백금이 왜 지각구성비가 낮은지 그래서 귀한지를 설명해준다. 여러분 손가락에 낀 금반지는 초신성의 폭발에서 나온 재를 모은 것이다. 초신성으로 생성될 수 있는 원소의 상한선은 원자량 270~280 사이일 것으로 예상되며[1] 많아도 안정성의 섬(원자량 290~310)이 한계일 것으로 보인다.

이 핵합성의 의미는 결국 태양계의 구성성분은 태양계가 생기기도 전에 있었던 조상 별들이 진화과정에서 핵합성으로 여러 원소를 만들고 나중에 폭발하며 남은 폭발 잔해나 초신성이 폭발하며 일어난 핵합성으로 만들어진 재(灰)에서 나온 것이다. 별의 생성, 진화, 소멸의 세대를 거칠수록 무거운 원소의 비율이 높아지고 특히나 무거운 중원소는 초신성의 폭발에서만 생성된다. 태양계는 비교적 무거운 원소의 비율이 높은 대충 3세대 별에 해당된다.