어린이를 위한 과학잡지라서 해서, 일반상대성이론과 우주의 구성에 대해서 아주 쉽게 써져있어서 ‘나도 이해할 수 있겠지‘ 기대했건만 너무 어렵다. 오히려 뉴턴 보다 어려운 듯.
원소의 출현생물이 어떻게 지금과 같은 모습을 갖게 됐는지 알려면 우주가탄생한 순간으로 되돌아가야 해요. ‘빅뱅‘(Big bang)이 일어나고약 38만 년 뒤 최초의 원자핵이 생겨났어요. 뒤이어 수소(H)와
‘헬륨(He)이 만들어졌지요. 약간이지만 리튬(Li)도 생겼어요. 하지만 아직 생명을 만들기에는 재료가 부족했어요. 첫 번째 별이 만들어질 때까지 기다려야 했답니다.
별의 내부에서는 ‘탄소·질소·산소(CNO) 순환 반응‘과 ‘삼중알파입자 반응‘ 같은 핵융합 반응이 일어나요. 이 핵융합 반응으로 탄소, 질소, 산소 같은 생명의 핵심 ‘재료‘가 만들어진답니다. 이 재료들은 생명을 만드는 데 꼭 필요한 두 가지 요소인 생체 분자와 액체 용매(물질을 녹일 수 있는 액체)를 만드는 데 쓰여요. 용매가 왜 필요하냐고요? 기체와 고체 상태에서는 생명체를만들기 위한 화학 반응이 일어나기 어렵기 때문이에요. 기체 상태에서는 분자 사이의 거리가 너무 멀고, 고체 상태에서는 분자끼리 잘 섞이지 않거든요. 그래서 생명이 탄생하려면 꼭 액체가필요하답니다.
이런 면에서 지구에 사는 우리는 무척 운이 좋았어요. 두 가지면에서 그랬죠.
우선 지구는 운 좋게도 물‘이라는 용매로 뒤덮였어요. 수소와 산소가 모여 만들어진 물(H.O)은 특별한 용매에요. 물은 생명 활동을 위해 꼭 필요한 두 가지 조건을 다 만족하거든요. 물 분자는 한쪽은 부분 양전하를, 다른 한쪽은 부분 음전하를 띠고 있는데 이런 용매를 극성 용매라고 불러요. 물의 이런 성질은 세포와 생체 분자의 활동에 무척 중요해요. 또 생명체가 제대로 기능하려면 이온(전하를 띤 입자)이 필요해요. 예를 들어 신경계는 칼륨 이온, 나트륨 이온, 칼슘 이온이 없으면 기능할 수 없지요. 그런데 이온은 극성 용매에만 녹는답니다. 둘째로 물은 0℃에서100℃ 사이의 넓은 온도 범위에서 액체로 존재해요.
이런 특징 덕분에 물은 비슷한 다른 물질보다 좋은 용매가 될수 있어요.
우리가 무척 운이 좋다고 할 수 있는 두 번째 이유는 우주에 아주 많은 탄소예요. 탄소는 정사면체 꼭짓점 방향으로 네 개의 강 한 공유 결합을 만들 수 있는 특별한 원소에요. 다른 원자와 결합해 무척 긴 탄소 사슬을 만들 수도 있죠. 게다가 수소, 산소, 질소, 황, 인 같은 주요 원소들과 단단히 결합할 수 있어요. 탄소는단일 결합 외에도 이중 결합이나 삼중 결합을 할 수 있어서 무척 다양한 물질을 만들 수 있답니다.
탄소가 아닌 다른 원소로 만들어진 생명체도 있을까요? 탄소를대신할만한 원소로 가장 가능성이 큰 것은 규소(Si)예요. 규소는탄소와 성질이 무척 비슷하답니다. 게다가 우주에는 규소가 폐많아요. 하지만 규소는 탄소보다 무겁고 지름도 탄소보다 커서단단한 이중결합이나 삼중결합을 만들 수 없어요.
하지만 규소로 이뤄진 생명체가 있을 가능성은 여전히 남아있어요. 규소의 수소화합물은 탄화수소 화합물보다 불안정하지만, 규소와 산소로 만들어진 실리콘은 탄화수소 화합물보다 열에 강하답니다. 그래서 지구보다 기온이 훨씬 높은 행성에 생명체가 있다면 규소로 이뤄져 있을 거라는 생각이 널리 받아들여지고 있어요. 과학자들은 이런 행성에서는 액체 상태의 산화규소가 용매 역할을 할 거라고 말해요.
우주의 연료
빅뱅 이론에 따르면 우주는 137억 년 전, 특이점이라고 불리는아주 조그마한 점에서 시작됐어요. 이 특이점은 밀도와 온도가 어마어마하게 높았지요. 그런데 어느 순간부터 점점 크기가 커지고 온도가 내려가기 시작했어요. 우주가 빠른 속도로 팽창하면서, 특이점의 에너지가 우주 전체로 흩어졌답니다.
초기 우주는 온도가 높고 ‘쿼크-글루온 플라스마‘라는 한 가지물질로만 채워져 있었어요. 그 뒤 우주가 점점 식으면서 전자와양성자가 만들어졌어요. 하지만 전자와 양성자는 오랫동안 불안정한 상태로 남아 있었답니다.
빅뱅 이후 37만 9000년이 지나자 우주의 온도가 1만K(캘빈,1K=-275.15℃)까지 떨어졌어요. 그러자 속도가 느려진 전자와 양성자가 합쳐지면서 처음으로 안정된 수소가 만들어졌어요. 첫번째 원소가 탄생하는 순간이었죠. 수소는 한 개의 양성자와 한개의 전자로 이뤄져 있어요. 수소 원자의 핵은 양성자 한 개로 이뤄져 있기 때문에 p(양성자를 뜻하는 proton의 약자)라는 기호로 쓴 1답니다. 한편, 당시 우주에 있던 전자와 양성자의 4분의 1은 중성자가 되었어요. 중성자는 양성자와 함께 헬륨(He)이나 중수 소(H, 중성자가 하나 더 있는 수소의 동위원소) 같은 원소의 핵을 이뤘조. 빅뱅이 일어난 지 38만 년에서 5억 5000만 년 사이에는 우주에 수소와 헬륨이라는 두 가지 원소밖에 존재하지 않았어요.
수소와 헬륨이 생긴 이 과정을 초기 핵합성‘이라고 불러요. 오늘날 우주에 있는 입자의 99%는 수소와 헬륨이랍니다.
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