태양이 적색 거성이 될 때 내행성계가 맞을 운명은 소름끼치게 냉혹한 것이지만, 태양계 행성들은 적어도 초신성 폭발이 가져다줄 절멸의 순간은 걱정하지 않아도 좋다. 태양이 초신성이 될 수는 없기 때문이다. - P465
태양보다 질량이 큰 별은 중심부가 태양보다 훨씬 더 고온 고압의 상태에 있으므로, 여러 종류의 핵연료를 단계적으로 태울 수 있다. 또 매우 빠른 속도로 진화하기 때문에 그 수명이 태양에 비해서 무척 짧다. - P465
질량이 태양의 10배 정도인 별은 비교적 조용하게 진행되는 수소ㆍ헬륨 변환 과정을 불과 수백만 년 안에 마치고, 재빨리 훨씬 더 격렬한 핵융합 단계로 이행한다. 그 까닭에 주위에 있던 행성에서 생명이 탄생하여 고등 지능을 갖춘 존재로 진화할 충분한 시간적 여유가 없다. - P465
그러므로 외계 생물들이 자기네의 별이 초신성이 될 것이라고 알고 있는 경우는 거의 찾아볼 수가 없을 것이다. 그들이 초신성이 무엇인지 이해할 수 있을 정도로 오래 살 수 있었다면 그들의 별이 초신성이 될 리는 애초부터 없었기 때문이다. - P465
초신성 폭발의 전제 조건은 규소의 핵융합으로 철의 중심핵이 만들어져야 한다는 것이다. - P466
엄청 높은 압력 아래서 별의 중심부에 있던 자유 전자들은 철 원자핵의 양성자와 짝짓기를 강요당한다. 같은 크기의 양전하와 음전하가 만나면 전하가 상쇄되므로 별 내부가 하나의 커다란 원자핵으로 변한다. 이렇게 생성된 한 덩이의 거대한 원자핵은 자신의 구성원이던 전자와 양성자가 따로따로 있을 때보다 부피가 훨씬 작다. - P466
작은 철의 중심핵이 내파 內破, implode되면 이를 따라 중심을 향해 돌진하던 외곽부는 중심핵에서 밖으로 튕겨서 격렬하게 외파外破, explode 하여 초신성으로 폭발한다. 은하에서 초신성이 폭발하면 그 초신성 하나가 은하의 모든 별들을 합친 것보다 더 밝게 빛을 낸다. - P466
오리온자리에서 볼 수 있는 최근에 태어난 무거운 별들도 앞으로 수백만 년안에 모두 초신성으로 폭발할 것이다. 사냥꾼 오리온이 앞으로 벌일 불꽃놀이가 사뭇 기대된다. - P466
초신성이 폭발할 때 별이 초신성 이전 단계에서 갖고 있던 질량의 거의 대부분이 우주 공간으로 방출된다. 조금 남아 있던 수소와 헬륨 그리고 새로 합성된 탄소, 규소, 철, 우라늄 같은 물질들이 폭발과 함께 우주 공간으로 날아간다. - P466
폭발의 중심에는 뜨거운 중성자별이 하나 남는다. 중성자별은 핵력으로 결속된 원자량이 10^56인 하나의 거대한 원자핵이라고 할 수 있다. 태양 규모의 질량을 가진 중성자별은 크기가 대략 30킬로미터이다. 중성자별은 원래 큰 별의 잔해로서 매우 빠른 속도로 자전한다. 질량이 큰 적색 거성이 수축해서 작은 중성자별이 되면서 회전 속도가 점점 증가하기 때문이다. 구체적 예로서 게성운의 경우를 보자. 게성운 한복판에는 맨해튼 섬과 비슷한 크기의 중성자별이 1초에 30번씩 자전하고 있다. - P467
수축 과정에서 자전 속도만 증가하는 것이 아니라 자기장도 증폭된다. 그러므로 하전입자들은 강력한 자기장에 붙잡혀서 중성자별과 같이 회전하게 된다. 중성자별에 비할 바는 아니지만 목성의 미약한 자기장에도 하전입자들이 붙잡혀있다. - P467
자기장에 붙잡혀서 중심 천체와 같이 회전하는 전자들은 전파에서 가시광선에 이르는 넓은 파장 대역의 빛을 잘 결속된 빔에 담아 방출한다. 빛의 빔이 중심의 중성자별과 함께 자전하므로 그 빔은 우리의 시선 방향에 들어오게 될 때만 한 차례씩 관측된다. 이것이 바로 펄스 pulse이다. 항해하는 배에서 등대의 불빛을 보는 것과 마찬가지 원리이다. 그러므로 펄스의 원천인 펄서 pulsar는 우주의 등대인 셈이다. 이것이 바로 펄서의 정체이다. - P467
우주의 메트로놈인 펄서는 우리가 일상에서 사용하는 시계 중에서 가장 정확한 것보다 더 정확하게 시간을 맞춰 깜빡거린다. 오랫동안 펄스 신호를 관측해 보면 주위에 하나나 둘 정도의 행성을 거느리고 있는 펄서를 발견할 수 있다. PSR 0329+ 54라는 이름의 펄서가 그 한 예이다. 하나의 별이 진화의 모든 과정을 거쳐 펄서까지 되는 동안 그 주위에 있었던 행성이 파괴되지 않고 그대로 남아 있올 수 있음이 이 펄서를 통해서 입증된 셈이다. 그렇지 않다면 초신성폭발 후에 펄서에 잡힌 행성일 수도 있다. - P467
중성자별을 구성하는 물질은 차 숟가락 하나분의 무게가 보통 산 하나의 무게와 맞먹는다. 차 숟가락 분량의 덩어리를 놓쳤다면 ㅡ 사실 놓칠 수밖에 별 도리가 없겠지만 ㅡ 마치 공기 중에서 돌멩이가 떨어지듯, 지구 속으로 아무 어려움 없이 뚫고 들어가 행성 전체를 관통하는 구멍을 내면서 지구의 반대쪽으로 빠져나올 것이다. 서울에서 떨어뜨렸다면 부에노스아이레스로 빠져나온다는 이야기이다. - P468
중성자별의 작은 조각 하나가 지표에서 상당히 높은 곳에서 자전하는 지구에 떨어진다면 지구 여기저기에다 구멍을 뚫어 놓으면서 지구의 중심을 관통하는 진동을 계속할 것이다. 지구 물질과의 마찰로 진동이 멈출 때까지 뚫린 구멍이 수십만 개는 족히 될 것이다. 뚫린 구멍이 암석과 철광석으로 다시 메워지기까지 지구는 뻥뻥 구멍이 난 스위스 치즈를 닮아 있을 것이다. - P468
중성자별의 물질이 하나의 덩어리 형태로 지구에 떨어진 적은 없었다. 하지만 중성자별의 미세한 조각, 즉 중성자는 사방에 널려 있다. 지구를 구성하는 원자에는 중성자가 들어 있다. 그러니까, 차 숟가락, 다람쥐, 한 모금의 공기, 애플파이 그 어느 것에도 중성자별을 구성하는 물질과 동일한 중성자들이 들어 있는 것이다. - P468
태양 규모의 별들은 적색 거성의 단계를 거쳐 백색 왜성으로 자신의 일생을 마감한다. 질량이 태양의 두 배에 이르면서 중력 수축 중에 있는 별은 초신성 폭발을 거쳐 중심에 중성자별을 남기는 것으로 일생을 끝맺는다. 이보다 훨씬 큰 별의 경우, 이와 다른 성격의 운명이 그를 기다린다. 초신성으로 폭발하고 남은 질량이 태양의 다섯 배 이상이면 자체 중력이 잔존하는 질량 덩이를 블랙홀로 몰아간다. - P469
비교적 강한 중력의 영향 아래에서도 빛은 우리의 일상에서 경험한 대로 직선으로 움직일 것이다. - P469
중력 가속도가 감소할수록 물체의 무게가 가벼워진다. - P469
중력이 거의 0에 가까우면, 슬쩍 건드리기만 해도 우리의 이웃은 공기 중으로 두둥실 떠올라 이리저리 돌아다니게 된다. 마시던 차茶나 다른 종류의 액체를 엎질러서 생긴 작은 물방울은 풍선같이 커다랗게 부풀어서 맥동脈動할 것이다. 표면 장력이 중력보다 더 세기 때문이다. 그래서 차로 된 커다란 방울들을 사방에서 볼 수 있을 것이다. - P469
중력을 (0에서) 1g로 환원시키면 이제는 차茶의 비가 사방에서 쏟아져 내린다. 1g에서 조금 더 높여서 3g 내지 4g로 하면 모두가 움직이지 않고 가만히 있게 된다. 앞발을 들어 올리는 일조차 많은 양의 에너지가 필요하기 때문이다. - P471
등불에서 나오는 빛은 3g 내지 4g 정도의 중력장에서도 무중력 상태에서와 마찬가지로 직진한다. 1,000g에서도 직진한다. 그러나 나무들의 키는 많이 줄었을 것이다. - P471
10만 g에서는 암석들이 자신의 무게를 견디지 못해서 스스로 깨져 버린다. 체셔Cheshire 고양이와 같이 특별한 존재가 아닌 한 그 어떤 것들도 온전히 살아남을 수 없는 지경에 이른 것이다. - P471
중력이 10억 g가 되면 이상한 현상이 벌어진다. 이렇게 큰 중력장에서는 직진하던 빛마저 그 진행 방향이 꺾이기 시작한다. 지극히 높은 중력장 속에서는 빛조차 영향을 받는 것이다. 중력의 세기를 이것보다 더 높이면 하늘을 향해 직진하던 빛이 지표로 끌려 내려온다. 우주적 체셔 고양이의 몸은 이제 사라지고 그의 싱긋 웃는 표정만 남는다. - P471
지구 표면으로 낙하하는 물체가 느끼는 가속도의 크기가 1g이다. 1g의 가속도를 받으면, 속도가 매초에 대략 초속 10미터씩 증가한다. 그러니까 어떤 물체가 낙하를 시작한지 1초가 지났을 때 그 물체의 속도는 대략 초속 10미터가 되며, 2초가 지나면 초속 20미터로 증가한다. 그러다가 지표에 충돌하든가 아니면 공기와의 마찰로 낙하속도가 일정한 값에 머물 수도 있다. - P472
중력 가속도가 무척 큰 세상에서는 물체의 낙하 속도가 가속도에 비례해서 빨리 증가할 것이 뻔하다. 구체적인 예로 10g의 상황에서 낙하 속도의 시간에 따른 변화를 따져보자. 낙하를 시작한 지 1초 후에 그 물체는 초속 10 x 10 미터, 즉 초속 100미터의 속도를 얻는다. 그리고 1초 더 경과하면, 물체의 낙하 속도는 초속 200미터로 증가한다. 이런 식으로 시간이 지날수록 낙하속도가 빨라진다. 그러므로 중력 가속도가 이렇게 큰 곳에서는 자칫 비틀거리기만 해도 자신을 치명적인 상함으로 몰아넣는다. - P472
중력에 따른 가속도는 항시 소문자 g로 표시하여 뉴턴의 중력 상수 G와 구별한다. 뉴턴의 중력, 또는 만유인력 상수 G는 중력 작용의 세기를 나타내는 상수로서 우주 어디에서나 같다. 하지만 중력 가속도는 특정 지역에서 느끼게 되는 중력 작용에 따른 가속도이다. - P472
중력 가속도 g와 중력 상수 G 사이에는 다음의 관계가 성립한다.
F = Mg = GMm/r² ; g = GM/r²,
여기에서 F는 중력에 따른 힘의 세기, M은 행성이나 별의 질량, m은 낙하하는 물체의 질량, r는 낙하물체에서부터 그 행성이나 별의 중심까지의 거리를 뜻한다. - P472
중력이 아주 강력하면 빛조차 그 중력장의 영향에서 벗어날 수 없다. 이렇게나 강한 중력장을 동반하는 천체를 우리는 블랙홀 black hole이라고 부른다. 이것이야말로 주위 상황에 아랑곳 않는 불가해한 우주적 체셔 고양이인 것이다. - P471
밀도가 충분히 높고 중력이 한곗값 이상으로 강해지면 블랙홀은 윙크 한 번 하고 우주에서 사라진다. 하지만 빛이블랙홀 안에 갇혀 있으므로 블랙홀의 내부는 휘황하게 밝을 것이다. - P471
블랙홀의 바깥에서는 블랙홀을 볼 수 없어도 블랙홀이 미치는 중력의 영향은 감지할 수 있기 때문에 성간 여행 도중에 까딱 잘못하면 블랙홀에 빨려 들어갈 수 있다. 이것은 말 그대로 돌이킬 수 없는 일이다. 그 과정에서 자신의 몸이 한없이 길게 실같이 늘어나는 매우 언짢은 경험을 하게 된다. 그렇지만 물질이 블랙홀 주위를 빙빙 돌면서 안으로 빨려 들어가는 모습 자체는 참으로 볼 만한 구경거리일 것이다. 그 나그네가 자연의 특별한 배려로 살아남을 수 있다는 실현 불가능의 조건이 성립된다면 말이다. - P472
태양 내부에서 진행되는 핵융합 반응이 태양의 외각을 지탱해 주므로 태양은 중력 수축의 재앙을 앞으로도 수십억 년 동안 미룰 수 있다. 백색 왜성의 경우, 원자에서 떨어져 나온 전자들이 유발하는 특별한 압력 덕분에 안정이 유지된다. 중성자별에서는 중성자들이 만드는 압력이 중력의 일방적 횡포를 견제한다. - P472
그러나 초신성 폭발이나 그외의 격렬한 변혁 끝에 남은 잔해가 태양 질량의 다섯 배 이상이 되면 그 어떤 힘으로도 중력 수축을 막을 수가 없다. 이러한 잔해는 한없이 수축하면서 고속 자전을 한다. 그리고 점점 붉은색을 띠다가 종국에는 관측자의 시야에서 완전히 사라진다. - P473
태양의 스무 배의 질량을 가진 별이 로스앤젤레스 시 정도의 크기로 수축하면 중력이 10g로 증가하면서 그 별은 자신이 만들어 놓은 시공간의 틈으로 빠져 들어가 우리의 우주에서 흔적도 없이 사라진다. - P473
영국의 천문학자 존 미셸 John Michell이 1783년에 최초로 블랙홀에 대한 생각을 했다. - P473
지구의 대기가 엑스선 복사에 대해 불투명하기 때문에 천체들이 엑스선을 방출하는지 조사하려면 엑스선 망원경을 대기 바깥으로 쏘아 올려야 한다. - P473
스와힐리Swahili 어로 ‘자유‘를 뜻하는 우후루 Uhuru라는 이름의 이 위성은 최초의 엑스선 위성 천문대였다. 이 위성은 1971년에 백조자리에서 초당 1,000번씩 깜빡거리는 밝은 엑스선원源을 하나 발견했다. 이 엑스선 원은 그 후에 ‘백조자리 X-1‘이라고 명명됐다. - P473
이 천체의 엑스선 밝기가 변하는 원인이 무엇이든 간에 상관없이 언제 빛을 밝히고 언제 빛을 끄느냐 하는 정보가 백조자리 X-1을 가로질러 전달되는 속도는 결코 빛의 속도인 초속 30만 킬로미터를 넘을 수 없다. 그러므로 백조자리 X-1의 크기도 기껏 커 봐야 300킬로미터를 넘을 수가 없음은 뻔한 사실이다.(300000km/s × 1/1000s = 300km) - P474
크기로만 보면 겨우 소행성 규모의 천체가, 성간 공간을 통과한 다음에도 관측이 가능할 정도로 강력한 세기의 엑스선을 방출한다니, 도대체 이 천체의 정체는 무엇이란 말인가? 백조자리 X-1의 위치는 가시광선으로 관측했을 때 고온의 청색 초거성이 보이는 자리였다. 직접 확인은 불가능했지만 천문학자들은 이 청색 초거성에 근접 동반성이 있음을 스펙트럼 선의 주기적 이동에서부터 짐작할 수 있었다. 즉 이 별은 혼자가 아니라 동반성과 함께 쌍성계를 이루는 별이었다. - P474
쌍성계에서는 두 별이 서로 맞물려 돈다. 그러므로 궤도 운동의 관측자에 대한 상대 속도가 주기적으로 변한다. 이 변화가 도플러 효과 때문에 흡수 스펙트럼 선의 주기적 위치 변화로 나타난다. 천문학자들은 여기에서부터 쌍성계 구성원들의 질량을 추정할 수 있는데, 백조자리 X-1의 동반성은 태양의 약 10배 정도의 질량을 갖는 것으로 판명됐다. - P474
초거성은 여러모로 보아 결코 엑스선의 방출원이 될 수 없었다. 그러자 사람들은 숨겨진 동반성을 의심하기 시작했다. 질량은 태양의 10배인데 크기는 겨우 소행성 정도라니 블랙홀이 아니고서야 이럴 수가 없는 것이었다. 그렇다면 엑스선의 원천은? 초거성에서 블랙홀로 빨려가면서 소용돌이치는 회전 원반에서 기체와 티끌 들이 서로 스치며 지나가기 때문에 막대한 양의 마찰열이 발생한다. 이 열이 회전 원반의 물질을 엑스선이 방출될 정도의 고온으로 가열한다. - P475
전갈자리 V 861과 GX339-4, SS 433, 컴퍼스자리 X-2 등도 블랙홀의 후보 천체들이다. 카시오페이아자리 A는 초신성의 잔해로 알려진 전파 방출원이다. - P475
‘블랙홀은 공간에 패인 바닥 없는 보조개‘ - P476
우리 조상들이 태양을 숭배한 것은 그들이 바보였기 때문이 아니다. 숭배의 대상은 자신보다 훨씬 위대한 것이어야 마땅하다. 따라서 우리 조상들이 태양과 별들을 우러름의 대상으로 삼은 것은 아주 당연한 선택이었다. 천문학 연구는 바로 이러한 경외감에서 시작된다. - P478
고대의 수메르인들이 신을 나타내는 데 사용했던 그림 문자가 오늘날 별표로 애용되는 ‘ * ‘ 이다. 한편 아스텍인들은 ‘테오틀Teotl‘이라는 단어로 신을 지칭했다. 그리고 태양의 기호를 테오틀의 그림 문자로 삼았다. 그들은 창공蒼空, heavens을 ‘테오아틀Teoatl‘ 이라고 불렀는데 이 단어는 신의 바다, 또는 우주의 대양이라는 뜻이다. - P477
은하는 미답의 대륙이다. 그 대륙에서는 규모는 별의 차원이지만 정체의 오묘함이 상상을 초월하는 현상과 실체 들이 우리의 접촉을 기다리고 있다. 예비적인 접촉과 만남이 일부 이루어진 것은 사실이다. 그래서 적지 않은 부분에서 그들과 우리의 동질성을 확인할 수 있었다. - P478
상상은 조건을 거부한다지만, 우리의 상상은 항시 숨은 조건의 노예일 뿐이었다. 인간의 상상력이 그 숨겨진 조건들마저 모두 떨쳐 버릴 수 있다 하더라도, 은하에는 상상의 품 안에 담기 어려운 그 무엇들이 우리의 지적 탐사를 기다리고 있다. - P478
인류는 은하 구성물의 정체를 밝히려는 대장정에서 이제 겨우 첫발을 내디뎠을 뿐이다. 여태껏 이루어진 지적 탐사에서 알아낸 사실은, 은하라는 미지의 대륙에는 우리가 알지 못하는 예상 밖의 구성원들이 아직 그득하다는 점이다. 행성들은 은하수 은하에서 멀지 않은 곳에 거의 확실하게 존재한다. 대마젤란성운과 소마젤란성운의 구름 안에 있는 별들 주위와 은하수 은하를 둘러싸는 구상 성단의 별들 주위에도 행성들이 있을 것이다. - P478
우리를 구성하는 물질, 우리의 내면과 겉모습 그리고 인간 본성의 형성 기제 모두가 생명과 코스모스의 깊은 연계에 좌우된다 - P479
우리는 가장 근본적 의미에서 코스모스의 자녀들이다. - P477
|