태양계 1강. 태양: 우리의 별
태양이 무엇으로 타는가라는 질문은 지구의 나이를 걸고 벌인 싸움이었고, 답은 물리학의 가장 깊은 곳에서 나왔습니다.
풀고 시작
태양은 무엇으로 타는가
태양이 석탄처럼 탄다면 수천 년 만에 꺼져야 합니다. 그렇다면 대체 무엇으로 저렇게 오래 타는 걸까요? 19세기 물리학자들에게 이것은 진짜 난제였습니다. 헬름홀츠와 켈빈은 그럴듯한 답을 내놓았죠. 태양이 자기 중력으로 서서히 수축하면서 위치 에너지를 열로 바꾼다는 것입니다. 계산하면 약 2천만~3천만 년의 수명이 나옵니다. 그런데 이 숫자가 과학의 다른 진영과 충돌했습니다. 지질학자들은 지층의 퇴적 속도로, 다윈은 생물 진화의 속도로 수억 년 이상을 요구했거든요. 켈빈은 물리학의 권위로 지질학을 눌렀지만, 틀린 쪽은 물리학이었습니다.
답의 실마리는 20세기에 왔습니다. 아인슈타인의 E = mc²는 작은 질량이 막대한 에너지로 바뀔 수 있음을 보였고, 에딩턴은 1920년에 수소가 헬륨으로 바뀌는 반응이 태양의 연료일 것이라고 제안했습니다. 그리고 1938~1939년 한스 베테(Hans Bethe)가 구체적인 핵융합 반응 경로를 규명하면서 논쟁은 끝났습니다. 태양 중심부에서는 매초 약 6억 톤의 수소가 헬륨으로 융합되며, 그 과정에서 질량의 약 0.7%가 에너지로 변합니다. 이 연료로 태양은 약 100억 년을 빛나는데, 현재 그 절반쯤을 지났죠.
층층이 쌓인 구조
태양 중심에서 만들어진 빛이 표면까지 나오는 데 수십만 년이 걸린다는 사실, 알고 계셨나요? 태양은 안에서 밖으로 층 구조를 이룹니다. 중심핵은 온도 약 1500만 K로, 핵융합이 일어나는 유일한 구역입니다. 그 바깥의 복사층에서는 에너지가 광자의 형태로 수십만 년에 걸쳐 천천히 빠져나옵니다. 광자가 끊임없이 흡수와 재방출을 반복하기 때문이죠. 더 바깥의 대류층에서는 뜨거운 가스가 끓는 물처럼 직접 오르내리며 에너지를 나릅니다. 우리가 눈으로 보는 표면은 광구로, 온도는 약 5500℃입니다. 그 위로 채층과 코로나가 있는데, 코로나는 100만 K가 넘는 초고온입니다. 표면보다 대기가 수백 배 뜨거운 이 역설은 코로나 가열 문제라 불리며 아직 완전히 풀리지 않았습니다.
흑점과 11년의 리듬
광구에 나타나는 검은 반점, 흑점은 사실 어둡지 않습니다. 흑점만 떼어 놓으면 보름달보다 밝거든요. 흑점은 강한 자기장이 대류를 억눌러 주변보다 약 1500℃ 낮아진 구역이라, 상대적으로 어둡게 보일 뿐입니다. 독일의 아마추어 천문가 슈바베는 새 행성을 찾으려고 17년간 매일 태양을 관측하다가 1843년 흑점 수가 약 10년 주기로 늘고 주는 것을 발견했습니다. 행성 대신 태양의 리듬을 찾아낸 셈이죠. 오늘날 확인된 태양 활동 주기는 평균 약 11년이며, 주기마다 태양 자기장의 극이 뒤집힙니다. 1645년부터 약 70년간 흑점이 거의 사라진 몬더 극소기(Maunder minimum)는 유럽의 혹한기와 겹쳐, 태양 활동과 기후의 관계를 둘러싼 논쟁거리로 남아 있습니다.
태양풍, 오로라, 그리고 캐링턴 사건
태양은 빛만 내보내지 않습니다. 코로나에서 전하를 띤 입자들이 초속 수백 km로 끊임없이 흘러나오는데, 이것이 태양풍입니다. 태양풍 입자가 지구 자기장에 붙들려 극지방 대기로 쏟아지면 산소와 질소 분자를 들뜨게 하여 초록과 붉은 빛의 오로라를 만들죠. 오로라는 아름답지만, 그 배후의 태양 폭발은 위협이기도 합니다.
1859년 9월, 영국의 천문가 캐링턴(Richard Carrington)은 흑점군에서 강렬한 백색광 섬광을 목격했습니다. 약 17시간 뒤 거대한 자기 폭풍이 지구를 덮쳤죠. 오로라가 카리브해에서 보였고, 유럽과 북미의 전신망에 유도 전류가 흘러 전신 기사가 감전되고 전지를 뽑고도 송신이 되는 일이 벌어졌습니다. 이것이 기록상 최대의 태양 폭풍인 캐링턴 사건입니다. 당시 인프라는 전신뿐이었지만, 지금 같은 규모의 폭풍이 오면 전력망 변압기, 위성, GPS, 항공 통신이 광범위하게 마비될 수 있습니다. 실제로 1989년에는 그보다 작은 폭풍이 캐나다 퀘벡주 전력망을 9시간 정전시켰습니다. 태양은 우리의 별이자, 현대 문명이 상시 감시해야 하는 변수인 셈이죠. 태양의 일생이 어떻게 끝나는지는 별과 우주 과목에서 다룹니다.
인출 문제
생각해볼 질문 (정답 없음)
- 켈빈은 당대 최고의 물리학자였지만 태양의 나이에서 틀렸습니다. 권위 있는 정밀 계산이 틀린 전제 위에 서 있을 때, 과학은 그것을 어떻게 알아차릴 수 있을까요.