최종편집2024-04-27 11:59 (토)

[미디어파인 칼럼 = 이상원 기자] 20년간의 논쟁 끝에 과학자들은 태양과 우주 전체가 정확히 무엇으로 구성되어 있는지 파악하는 데 점점 더 가까워지고 있다.

태양은 대부분 수소와 헬륨으로 구성되어 있다. 산소와 탄소와 같은 더 무거운 원소들도 있지만, 얼마나 많은 양인지는 논란의 여지가 있다. 중성미자로 알려진 유령 같은 아원자 입자들에 대한 새로운 관찰은 태양이 천문학자들이 수소와 헬륨보다 더 무거운 모든 원소에 대해 사용하는 용어인 "수소"의 충분한 공급을 두고 있음을 시사한다고 연구자들이 보고했다.

독일 율리히 연구센터의 물리학자인 리비아 루도바는 이 결과가 태양에 대해 "높은 금속성과 완전히 양립할 수 있다"고 말했다. 수소와 헬륨보다 더 무거운 원소들은 지구와 같은 철석 행성을 만들고 인간과 같은 생명체를 유지하는 데 결정적이다. 단연코 우주에서 이러한 원소 중 가장 풍부한 것은 산소이며, 그다음으로 탄소, 네온 그리고 질소이다.

그러나 천문학자들은 우주에서 가장 흔한 원소인 수소에 비해 이러한 원소들이 정확히 얼마나 많이 존재하는지 알지 못한다. 천문학자들이 다른 별들과 은하계들에서의 원소의 풍부함을 측정하기 위한 기준점으로 전형적으로 태양을 사용하고, 두 가지 기술은 우리 별에 대해 매우 다른 화학적 조성을 암시하기 때문이다.

한 기술은 태양 내부의 진동을 이용하여 그것의 내부 구조를 추론하고 높은 금속 함유량을 추측한다. 두 번째 기술은 어떻게 표면에 있는 원자들이 특정한 빛의 파장을 흡수하는지로부터 태양의 구성을 결정한다. 20년 전에, 이 두 번째 기술의 사용은 태양의 산소, 탄소, 네온 그리고 질소 수준이 발견된 이전의 결정보다 26%에서 42% 더 낮았고, 현재의 갈등을 만들었다.

오랜 논쟁을 결정지을 수 있는 또 다른 기술은 태양 중성미자를 사용하는 것이다. 이 입자들은 수소를 헬륨으로 바꾸는 태양 중심핵에서의 핵반응에서 발생한다. 태양 에너지의 약 1%는 수소를 헬륨으로 전환하지만, 과정에서 다 소모되지 않는 탄소, 질소, 산소와 관련된 반응에서 발생한다. 그러므로 태양이 실제로 더 많은 탄소, 질소, 산소를 가지고 있을수록, CNO 순환은 더 많은 중성미자를 방출해야 한다.

2020년에 과학자들은 이탈리아의 지하 탐지기인 보렉시노가 이 CNO 중성미자들을 발견했다고 발표했다. 이제 루도바와 그녀의 동료들은 탄소와 질소 원자가 합쳐 태양의 수소 원자보다 약 0.06% 더 풍부하다는 것을 계산할 수 있을 만큼 충분한 중성미자를 기록했다. 이것은 태양의 구성을 결정하기 위해 중성미자를 처음 사용한 것이다.

저금속 태양을 선호하는 스위스 제네바 대학의 천체 물리학자인 가엘 불드겐은 이러한 새로운 연구가 "상당한 개선"이라고 말한다. 그러나 예측된 CNO 중성미자 수는 그가 너무 단순화되었다고 비판하는 태양의 모델들에서 나왔다. 이러한 모델들은 태양의 자전을 무시하는데, 이는 수명에 걸쳐 화학 원소들의 혼합을 유도하고, 태양 중심 부근에서 탄소, 질소 및 산소의 양을 변화시켜, 예측된 CNO 중성미자 수를 변화시킬 수 있다고 불드겐은 말한다.

루도바는 최종 평결을 위해서는 중성미자 관찰이 추가로 필요하다고 말한다. 보렉시노는 2021년에 문을 닫았지만, 앞으로의 실험이 그 공백을 메울 수 있을 것이다.

[이상원 칼럼니스트] 
고려대 산업경영공학과(재학 중)
미디어파인 대학생칼럼니스트 겸 기자