2016年 韓流 烈風을 일으킨 ‘太陽의 後裔’라는 드라마가 있다. 여기서 ‘太陽’은 1955年 小兒痲痹 백신을 開發한 조너스 소크 博士가 한 말에서 비롯됐다. 백신 特許 所有權을 묻는 記者에게 소크 博士는 이렇게 答했다. “太陽에 特許를 낼 수는 없습니다.” 利潤보다 人間 生命을 重視한 그는 確實히 太陽의 後裔가 맞다. 하지만 天文學的으로 우리는 太陽의 後裔가 되기엔 너무 무겁다. 무슨 말인가 하면, 太陽만으로는 우리를 構成하는 무거운 物質들을 만들어내기 어렵다는 뜻이다.

宇宙 大爆發 以後 꽤 오랜 時間이 걸리긴 했지만, 宇宙에 水素가 誕生했다. 水素는 存在하는 總 原子 數의 90%를 차지하며, 全體 質量의 75%가 넘는다. 太陽 亦是 全體 92%가 水素로 이뤄져 있다. 나머지 8%는 헬륨이다. 太陽처럼 比較的 가벼운 恒星에서는 水素를 헬륨으로 바꾸기 위해 ‘陽性子??-??陽性子 連鎖 反應(P??-??P Chain)’이 主로 일어난다. 1920年代 아서 에딩턴이 이를 처음 發見했다. 2個의 水素 原子核이 衝突하면 重水素 原子核이 만들어지고, 이게 다시 水素 原子核과 衝突하면서 헬륨의 가벼운 同位元素들이 誕生한다. 超大型 公園에서 벌어지는 술래잡기처럼, 잡힌 사람은 다시 술래가 되고, 또다시 잡히고 하면서 아주 천천히 술래 役割을 反復하는 헬륨이라는 술래 專擔者가 늘어나는 것이다. 이 過程에서 損失된 質量만큼 核融合 에너지가 만들어진다. 太陽 內部 에너지의 99%는 이렇게 誕生한다. 나머지 1%의 正體는 1939年 獨逸 胎生의 美國 物理學者 한스 베테가 밝혀냈다. 그가 찾아낸 方法은 ‘CNO(炭素-窒素-酸素) 循環’이라는 것인데, 恒星 內에 存在하는 炭素나 窒素, 酸素가 水素와 잇달아 反應하는 좀 더 複雜한 過程이다. ‘陽性子??-??陽性子 連鎖 反應’李 술래잡기 水準이라면, ‘CNO 循環’은 人氣 온라인 게임 ‘어몽 어스’처럼 規則이 複雜해진다. 重要한 건 太陽은 水素로부터 헬륨만 만들어낼 수 있다는 事實이다. 아쉽게도 人間의 몸은 水素와 헬륨만으로 이뤄져 있지 않다. 水素가 63%나 차지하는 건 맞지만 酸素와 炭素, 그리고 少量의 窒素, 인, 黃, 鹽素, 칼륨처럼 무거운 元素들度 包含돼 있다. 그렇다면 水素와 헬륨 外 다른 元素들은 어디에서 왔을까.

核物理學을 별 內部에 適用

過去 物理學者들은 宇宙 大爆發人 빅뱅 當時 일어난 核融合 反應으로 모든 元素가 한꺼번에 生成됐을 것이라고 믿었다. 하지만 英國의 影響力 있는 天文學者였던 프레드 호일은 고개를 저었다. 그는 빅뱅 初期에 水素와 헬륨처럼 가벼운 元素만 生成됐다고 推測했다. 勿論 急激한 宇宙 膨脹 以後 現在 地球와 같은 行星을 構成하는 鐵, 마그네슘, 硅素 等 무거운 元素들이 어떻게 나왔는지를 說明해야 했다.

호일이 생각한 答은 별의 內部에 있었다. 아마도 매우 높은 溫度와 壓力 狀態에서 가벼운 元素가 融合해 무거운 元素가 되고, 이러한 環境은 分明 質量이 매우 큰 별 內部에서 만들어질 수 있을 것이라고 判斷했다. 마치 마블 어벤저스 히어로 中 한 名인 토르의 새로운 武器 ‘스톰브레이커’가 中性子별에서 만들어진 것처럼 말이다. 호일은 統計學的으로 接近했다. 萬若 自身의 理論에 따라 자연스럽게 生成되는 各 元素의 比率을 計算한 結果가 實際 存在하는 元素들의 觀測 比率과 同一하다면 自身이 옳다는 것이었다. 觀測 結果는 놀랍게도 一致했다. 하지만 그의 硏究는 全혀 注目받지 못했다. 核物理學을 별 內部에 適用한다는 건 너무 革新的인 아이디어였기 때문이다. 그로부터 8年 後 美國 캘리포니아工科臺에서 硏究하던 한 天文學者가 그와 共同硏究를 하기 위해 움직였다. 바로 오늘의 主人公 윌리엄 앨프리드 파울러다.

天體物理學 根幹 만든 生計型 科學者 파울러

파울러는 펜실베이니아주 피츠버그의 中産層 집안에서 태어났다. 高校 卒業 後 오하이오주립대 세라믹工學科에 入學했지만, 物理學으로 專攻을 바꿨다. 넉넉한 집안形便이 아니었기에 그는 먹고살기 위해 平日에는 社交클럽에서 雜일을 하고, 週末에는 布帳馬車에서 飮食을 팔았다. 힘든 狀況에서도 熱心히 工夫해 1933年 世界的으로 有名한 캘리포니아工科臺 大學院에 入學했다. 當時 그곳에는 노벨物理學賞 受賞者이자 기름 방울 實驗으로 有名한 로버트 밀리컨이 設立한 ‘켈로그放射線硏究所’가 있었다. 實驗物理學에 關心이 많았던 파울러는 放射線硏究所에 자주 들러 實驗에 參與했다. ‘虎狼이 기운이 솟아나는’ 美國 콘플레이크 會社 켈로그가 많은 豫算을 投入한 硏究所라 實驗에 沒頭하기 좋은 環境이었다.



파울러는 指導敎授인 덴마크 出身 物理學者 찰스 크리스티안 라우리첸으로부터 硏究뿐 아니라 人生에 對해서도 많은 指導를 받았다. 才能 많고 훌륭한 科學者 밑에서 그는 核物理學이라는 分野에 關心을 두게 됐다. 두 原子核에서 한쪽의 陽性子??·??中性子 數가 各各 다른 쪽의 中性子??·??陽性子 數와 같을 境遇인 ‘거울核’을 發見했다. 1939年 卒業 後 敎授가 된 파울러와 그의 스승 라우리첸은 베테가 發見한 ‘CNO 循環’에 關心이 많았는데, 實際로 別 內部에서 벌어지는 일을 實驗室에서 再現하는 데 成功했다. 바로 核物理學科 天體物理學이 緊密하게 融合된 核天體物理學의 始作이다.

反骨 性向이 剛했던 프레드 호일처럼 파울러度 宇宙에 存在하는 元素들이 어떻게 만들어졌는지 궁금했다. 파울러는 1954年 때마침 찾아온 安息年을 호일 동생과 함께 보내고자 케임브리지대로 찾아갔다. 그곳엔 이미 마거릿과 제프리 버비지가 있었다. 두 사람은 이미 뛰어난 實力을 갖춘 天體物理學者 夫婦였다. 그들은 當時 별에서 나오는 스펙트럼의 化學 組成을 硏究하고 있었는데, 核反應이 進行 中인 별을 發見해 觀測했다. 그로부터

2年 後 이番에는 버비지 夫婦와 호일이 파울러를 찾아 켈로그放射線硏究所로 왔다. 버비지 夫婦는 그동안 모아온 스펙트럼 觀測 結果를 整理했고, 호일과 파울러는 多樣한 原子核 情報를 바탕으로 推測한 元素의 起源을 週期律表에 配列했다. 그렇게 100쪽 넘는 두꺼운 論文이 完成됐다. 1957年 드디어 빅뱅 當時 生成된 水素와 헬륨을 始作으로 무거운 우라늄까지 包括하는 元素 合成에 關한 論文이 揭載됐다. 原子番號

6番 炭素부터 92番 우라늄에 이르는 모든 元素가 銀河系 內部 巨大한 별에서 合成됐다는 事實이 알려진 것이다. 共著者 4名의 이름을 따 ‘B2FH(Burbidge2?-?Fowler?-?Hoyle)’로 불리는 이 論文은 現在까지 다른 論文에 5000回 가까이 引用되며 天體物理學 硏究 核心 資料로 活用되고 있다.

노벨物理學賞 受賞에도 一生 괴로웠던 理由

宇宙의 元素가 生成되는 核反應 過程에 關한 硏究를 遂行한 功勞로 1983年 12月 파울러는 별의 進化 過程을 硏究한 數브라마니안 찬드라세카르와 함께 스톡홀름에서 노벨物理學賞을 共同受賞했다. 人類는 宇宙 먼지로부터 왔으며, 이러한 微細한 粒子들이 어떻게 宇宙에서 生成됐는지를 糾明한 건 充分히 偉大한 일이었다. 問題는 파울러가 노벨賞을 받았다는 事實이 아니라, 마땅히 함께 받아야 할 호일이 받지 못했다는 點이다. 앞서 밝혔듯이, 호일은 이미 1946年부터 核天體物理學의 基盤을 마련했고, 파울러의 硏究 成果는 호일의 全幅的인 協力이 없었다면 世上에 나올 수 없었다. 별 內部에서 炭素가 生成되는 過程을 檢證하는 實驗도 호일이 먼저 提案했다. 炭素부터 니켈까지 元素가 合成되는 高溫의 核融合 反應에 對한 說明도 그가 먼저 했다. 하지만 哀惜하게도 호일은 노벨物理學賞을 받지 못했다.

性格 問題로 노벨委員會와 사이가 좋지 않았다거나 빅뱅 等 科學界의 主流 理論을 否定했기 때문이라는 辨明은 아무 意味가 없었다. 호일은 平生 本人이 받지 못한 노벨賞에 對해 一切 言及조차 하지 않았다. 하지만 파울러는 깊은 괴로움에 빠졌다. 그는 노벨賞 受賞者 講演을 包含해 發言權을 얻을 機會만 있으면, 늘 元素 合成에 對한 基本 槪念을 正立한 사람은 호일이라고 밝혔다. 버비지 夫婦의 도움에도 恒常 感謝했다. 파울러는 分明 노벨賞을 받을 만한 業績을 남겼으나, 죽는 瞬間까지 同僚가 共同受賞에서 排除됐다는 罪責感에 시달렸다. 率直하고 謙遜한 科學者였지만, 제대로 幸福을 누리지 못했다.

眞正한 太陽의 後裔가 되기 위해서는 水素나 헬륨처럼 가벼운 物質들로만 이뤄져야 하는 게 맞다. 하지만 그렇지 않으니 우리는 嚴密히 말해 宇宙 먼지의 後裔나, 超新星의 後裔가 되는 便이 좋겠다. 勿論 太陽으로부터 合成된 헬륨度 數十億 年이 지나서 돌고 돌아 다시 무거운 元素를 合成할 수도 있다. 그렇게 誕生한 行星과 文明의 블록버스터 드라마가 나온다면 그때는 鎭靜 太陽의 後裔로 불러도 좋다.

_{軌道는… 연세대 天文宇宙學科 學部 및 大學院을 卒業하고 韓國天文硏究院 宇宙監視센터와 연세대 宇宙飛行制御硏究室에서 勤務했다. ‘軌道’라는 藝名으로 팟캐스트 ‘課長窓’, 유튜브 ‘안될과학’과 ‘투머치사이언스’를 進行 中이며, 著書로는 ‘軌道의 科學 虛勢’가 있다.}