가스가 모인 곳에서 첫 별이 태어났다
별과 은하가 생기면서 우주의 모습과 그 안의 재료가 달라졌다. 처음에는 거의 수소와 헬륨뿐이던 가스에서 별이 태어났고, 별 안에서는 새로운 원소가 만들어졌다. 별이 내보낸 물질 중 일부는 나중에 다른 별과 행성의 재료에 섞였다. 지구의 바위와 우리 몸을 이루는 성분에도 이 긴 변화의 흔적이 담겨 있다.
첫 별이 생기기 전에도 우주에는 빛이 있었다. 아주 뜨거웠던 초기 우주에서 출발해 지금까지 남은 빛을 우주배경복사라고 한다. 다만 그 빛을 내는 별은 아직 없었다. 첫 별은 우주에 새로 등장한 빛의 원천이었다.
가스는 우주 전체에 똑같이 퍼져 있지 않았다. 물질이 더 빽빽한 곳에서는 중력이 주변 가스를 끌어당겼고, 가운데에 모인 가스가 뜨거워지면서 별이 만들어질 조건이 갖추어졌다. 첫 별의 재료에는 오늘날의 별을 만드는 구름과 달리 무거운 원소와 먼지가 거의 없었다. 첫 별이 얼마나 무거웠고 어떻게 태어났는지는 먼 우주 관측과 물리 법칙에 따른 계산을 함께 대조하며 연구한다.
은하 안에서는 많은 별이 서로 다른 때에 태어났다
밤하늘의 은하는 별 하나보다 훨씬 큰 구조다. 수많은 별과 가스, 먼지가 중력으로 묶여 있으며, 빛으로 직접 볼 수 없지만 중력의 효과로 존재를 알아내는 암흑물질도 그 구조에 관여한다. 별이 태어나는 구름은 이런 은하 안의 여러 곳에 자리 잡는다.
초기 은하들은 주변에서 가스를 받아들이거나 다른 은하와 합쳐지며 변해 왔다. 모여든 가스에서 새 별이 태어나는 동안, 먼저 생긴 별들은 각자의 생애를 이어 갔다. 모든 별이 동시에 태어나 같은 단계를 거친 것은 아니다. 같은 은하에서도 어린 별과 오래된 별을 함께 만날 수 있는 이유다.
천문학자는 멀리 있는 은하를 통해 과거의 모습을 조사한다. 빛이 우리에게 오는 데 시간이 걸리므로, 오래 여행한 빛에는 그만큼 오래전 은하의 모습이 담겨 있다. 서로 다른 거리의 은하들을 비교하고 별의 빛과 가스의 성분을 분석하면, 은하가 어떻게 달라졌는지 알아갈 수 있다.
초기 은하의 빛은 주변 가스의 상태를 바꾸었다
뜨거운 별은 우리 눈에 보이는 빛뿐 아니라 자외선도 내보낸다. 그중 에너지가 충분히 큰 빛이 수소 원자에 흡수되면, 원자핵 주위에 있던 전자가 떨어져 나올 수 있다. 이렇게 원자에서 전자가 분리되는 변화를 이온화라고 한다.
초기 우주에서는 전자가 원자핵과 떨어져 있다가, 우주가 식으며 서로 결합해 원자를 이루었다. 별과 은하의 빛은 그 원자들에서 다시 전자를 떼어 냈다. 이 변화가 은하 주변에서 넓게 진행된 시기를 재이온화 시대라고 부른다. 빛이 가스를 통과하는 방식도 함께 달라졌다.
제임스 웹 우주망원경을 이용한 한 연구는 우주 나이가 약 9억 년일 때의 은하들을 조사했다. 더 멀리 있는 밝은 천체의 빛이 중간의 가스를 얼마나 통과하는지 살피고, 웹으로 알아낸 은하의 위치와 비교했다. 은하 주변에서 빛이 더 잘 통과하는 영역을 찾아낸 결과는 당시 은하의 빛이 주변 가스를 이온화했다는 설명을 뒷받침한다.
재이온화는 수소가 다른 원소로 바뀌는 과정이 아니다. 원자핵의 종류는 그대로이고 전자가 떨어져 나오는 변화다. 원자핵 자체가 달라져 새 원소가 생기는 과정은 다음 절의 핵반응과 구분한다.
별의 내부와 격렬한 사건에서 새로운 원소가 만들어진다
탄소와 산소는 처음부터 지금처럼 풍부하지 않았다. 별의 뜨거운 내부에서는 원자핵들이 합쳐지는 핵융합이 일어난다. 별이 진화하며 헬륨 원자핵이 반응하면 탄소와 산소가 만들어질 수 있다. 어떤 원소를 얼마나 만드는지는 별을 이루는 물질의 양인 질량과 진화 단계에 따라 달라진다.
원소를 만드는 길은 핵융합 외에도 있다. 원자핵은 중성자라는 입자를 받아들일 수 있고, 이후 핵 안의 입자가 바뀌는 반응을 거쳐 다른 원소가 되기도 한다. 이런 중성자 포획은 늙은 별의 내부에서도 일어나며, 철보다 무거운 원소 일부를 만드는 데 기여한다.
중성자별 두 개가 합쳐질 때 방출되는 물질에서도 무거운 원소가 만들어질 수 있다. 중성자별은 무거운 별의 최후에 남을 수 있는 작고 조밀한 천체다. 2017년에 관측된 중성자별 병합 사건의 빛을 다시 분석한 연구에서는 스트론튬이라는 원소의 흔적을 찾아냈다. 이는 이런 병합이 무거운 원소를 만드는 장소 중 하나라는 관측 근거다.
별이 내보낸 물질은 주변 가스에 섞인다
별 안에서 원소가 만들어져도, 그 물질이 곧바로 다음 별에 들어가지는 않는다. 먼저 별 바깥으로 나와 주변 가스와 섞이는 과정이 필요하다. 늙은 별이 바깥층을 잃거나 초신성 폭발로 물질을 내보내면, 그 안에 있던 원소도 함께 퍼진다. 별마다 무엇을 남기는지는 별의 죽음에서 살펴볼 수 있다.
허블 우주망원경은 태양 같은 별이 내보낸 가스가 중심의 뜨거운 별을 둘러싸는 모습을 관측했다. 천문학자는 이런 천체의 빛을 분석해 방출된 가스에 어떤 원소가 들어 있는지 조사한다. 새 원소가 생기는 핵반응과 그 원소가 우주로 옮겨 가는 물질의 흐름은 별개의 과정이다.
방출된 물질에는 별이 처음부터 가지고 있던 성분과 새로 만들어 낸 성분이 함께 들어 있다. 이 물질의 일부가 차가운 가스 구름에 섞여 다시 모이면, 다음 별과 행성계의 재료가 될 수 있다. 일부는 멀리 퍼지거나 잔해에 남으므로, 모든 재료가 빠짐없이 되돌아오는 닫힌 순환은 아니다.
태양계의 재료에는 앞선 별들의 흔적이 남아 있다
태양계를 만든 구름에도 태양보다 앞선 별들이 남긴 성분이 섞여 있었다. 탄소와 산소 같은 원소가 풍부해진 가스와 먼지에서 태양, 행성, 작은 천체들이 만들어졌다. 수소처럼 초기 우주에서 유래한 성분도 있으므로, 우리 몸이나 지구의 재료를 초신성 하나가 모두 만들었다고 말할 수는 없다.
운석 속에는 태양이 태어나기 전 다른 별 주변에서 만들어진 아주 작은 먼지 알갱이가 남아 있기도 하다. 연구자는 알갱이에 들어 있는 원자들의 종류와 비율을 조사해, 그 재료가 어떤 별에서 왔을지 추적한다. 먼 천체의 빛뿐 아니라 손에 넣은 물질도 태양 이전의 역사를 알아보는 단서가 된다.
지금의 우리은하에도 어린 별과 오래된 별, 별이 생기는 구름과 별이 남긴 잔해가 함께 있다. 이 글에서 말하는 별과 은하의 시대는 이런 변화가 이어지는 우주의 역사를 뜻한다. 한 별이 수소 핵융합으로 빛나는 주계열 단계와는 범위가 다르다. 한 구름에서 새 별이 생기는 모습을 자세히 보고 싶다면 별의 탄생으로 이어갈 수 있다.