지구 생명에 새겨진 우주 137억 년의 역사 S.S.Hong SNU, 10-03-11.

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1 지구 생명에 새겨진 우주 137억 년의 역사 S.S.Hong SNU,

2 S.S.Hong SNU,

3 1. 영상물 내용에 관한 질문 별의 질량에 따라 합성될 수 있는 원소의 종류가 달라야 하는 이유는 무엇인가?
별 내부에서 합성된 중원소가 성간 가스에 첨가되기까지 얼마나 긴 시간이 필요한가? 보통 별의 충돌이 아니라 중성자 별이 충돌해야 중금속이 만들어질 수 있는 특별한 이유라도 있는가 ? 암흑 성간운은 모두 수축하여 별로 만들어지는가? 중력 수축에 필요한 특별한 조건이라도 있는가 ? 별과 행성의 형성 과정은 어떻게 서로 다른가 ? 태양계 행성들은 고체 행성과 기체 행성으로 대별된다. 고체 행성이 만들어질 수 있는 조건은 무엇인가 ? 태양계에서 지구에만 생명이 태어날 수 있었던 특별한 조건은 무엇인가 ? 탄생한 생명이 고도의 지능으로 성장하기까지 어떤 진화의 과정을 밟는가 ? 생명의 탄생이 문명의 탄생과 성장을 보증하는가 ? S.S.Hong SNU,

4 별이 폭발할 때 정말로 소리가 들립니까? 그렇지 않다고 하던데…
원소가 모여서 이 모든 세상이 만들어진다면 그것은 큰 기적이 아닌가? 별들이 폭발한다는데 지구도 언젠가 폭발하지 않을까 궁금/불안합니다. 자연의 원소는 겨우 100 여 종에 불과한데, 어떻게 흡수선이 태양 스펙트럼 에 570여 개씩이나 나타날 수 있는가? 태양 스펙트럼에는 행성간 물질에 의한 흡수선도 있지 않은가? 총 에너지는 불변한다고 하던데 새로운 원소를 만들 수 있는 에너지는 어디에서 왔는가? 초신성 폭발로 태어난 금속 원소가, 그 충격파에 밀려난 가스에 어떻게 섞여 들어갈 수 있나? 티끌과 가스의 운명은 누가 결정하나? 주어진 티끌이나 가스 원자가 태양의 성분이 될 것이냐 아니면 행성을 구성하게 될 것이냐의 운명 말입니다. 초신성 폭발에서 생긴 물질은 널리 퍼져나갈 것이므로, 그 물질의 밀도는 별을 형성하기에 너무 희박하지 않은가? 성간 구름들이 방출한 전파 신호가 관측자에게 오는 과정에서 서로 뒤섞일 터인데 어떻게 이들을 구별하여 분석할 수 있나? 빛을 내지 못하는 가스와 티끌을 어떻게 관측할 수 있는가? 미약한 전파를 검출하려면 왜 지구 대기가 건조해야만 하는가? S.S.Hong SNU,

5 2. 중원소의 핵 합성과 우주 화학 조성의 변천사 2.1 중원소 함량의 변화를 암시하는 관측적 사실 태양 대기의 Au의 존재
현재 태양에서는 H  He의 핵융합 반응만 가능한데, Fraunhofer 스펙트럼에 Au의 존재를 알리는 흡수선이 보인다. 그러므로 Au은 태양이 태어나기 이전부터 있었던 원소다. 연금술로 만든 금이 가짜로 판명됐으며 처음에 H와 He뿐이었다는데, 어떻게 이런 일이 가능할까? 중원소 함량비의 증가 금속 결핍성의 탐색 현장인 Las Campanas 천문대로 우리를 안내 Carnegie Institution of Washington이 칠레에 설치해놓은 천문대 나이가 120~150억 년쯤 되는 별의 스펙트럼을 태양과 비교  중원소 함량비가 태양 값의 10-3 ! 한편 태양의 나이가 46억 년이므로, 과거 70~100억 년 동안 우리 은하에 엄청난 양의 중원소가 만들어졌다. S.S.Hong SNU,

6 2.2 중원소 합성과 별의 질량 Fe을 경계로 한 발열과 흡열 반응
11H H  21H e  MeV 11H H  32He + 00 MeV 32He + 32He  42He + 11H + 11H Mev ‘발열 반응’으로 56Fe 까지 만들어 질 수 있다. 철이 가장 단단하게 뭉쳐진 원 소이기 때문이다. 그러므로 철이 만들어질 때까지는 에너지가 밖으로 방출된다. 그러나 철보다 무거운 원소들은 ‘흡열 과정’을 거쳐서 만들어진다. 외부로부터 에너지가 공급돼야 철보다 가벼운 원소에서 철보다 무거운 원소가 만들어질 수 있다. 그러니까 철보다 무거운 원소의 경우, 보다 가벼운 원소로 쪼개질 때 에너지를 밖으로 내놓게 된다. 현대 핵무기가 이런 원리를 이용한 것이다. 쿨롱 척력은 전하의 곱에 비례하므로 무거운 원소를 만들려면 척력을 이길 쾌속 의 충돌이 필요하다. 결국 무거운 별에서나 가능한 것이다 ; T  M / R S.S.Hong SNU,

7 2.3 성간 물질에의 중원소의 첨가 가벼운 별의 폭발 현장인 행성상 성운
행성상 성운으로 일생을 마치는 질량이 비교적 가벼운 별에서는 C와 N가 주로 만들어진다. 합성된 중원소의 가스가 성운의 팽창과 더불어 식으면서 고체 입자로 응결되고, 성간으로 흩어져 나가 성간 티끌이 된다. 중원소 덩어리인 성간 티끌은 수소 기체와 함께 성간운을 형성한다. 그리고 별의 질량이 태양의 8배 정도는 돼야 O과 Ne 등을 합성할 수 있다. S.S.Hong SNU,

8 무거운 별의 최후 = 초신성 폭발 초신성 잔해인 게성운에서 펄서가 발견됐다 !
Ne과 Mg이 절대온도로 7억 도에서 만들어지고, Si, S, Ar, Ca 등은 30억 도, 그리고 Fe 이 만들어지려면 50억K 에 이르는 고온의 상태가 필요하다. 이러한 상태에 이르려면 별의 질량이 태양의 8배 이상이어야 하며, 이 정도로 무거운 별들은 자신의 최후를 초신성 폭발로 장식한다. 초신성 잔해인 게성운에서 펄서가 발견됐다 ! S.S.Hong SNU,

9 초신성 잔해의 온도가 5 x 107 K에 이르기 때문에 주로 x-선을 방출한다. 그런데 x-선은 지구 대기에 완전 흡수된다
초신성 잔해의 온도가 5 x 107 K에 이르기 때문에 주로 x-선을 방출한다. 그런데 x-선은 지구 대기에 완전 흡수된다. 따라서 x-선을 검출할 수 있는 특수 망원경을 실은 Chandra 천문대를 10만 km 고공의 우주로 띄었다. 챤드라에서 찍은 Cas A의 영상에서 우리는 각종 중원소가 밀집한 지역을 직접 확인할 수 있었다. 현대판 연금술 = 중성자 별의 충돌 Au나 Pt 와 같은 중원소 중의 중원소는 초신성 폭발에서도 충분한 양이 만들어지지 않는다 K에 이르는 극초고온의 상태가 요구되기 때문이다. 중성자 별과 중성자 별이 충돌한다면, 그 충돌 중심부는 이러한 수준의 고온 상태에 놓이게 된다. 그러나 중성자 별끼리의 충돌은 매우 드물게 일어나는 사건일 것이다. S.S.Hong SNU,

10 3. 원시 태양계 성운의 화학 조성 태양 대기의 화학 조성
태양 스펙트럼의 분석 결과를 지구와 운석의 성분 분석 결과와 비교했다. X[H] = 12.0 점 - 태양 스펙트럼의 흡수선 분석결과 선 – 지구와 운석 ⇒ 화학 조성에 드러난 태양과 지구와 운석 물질의 동질성! D. Clayton, p. 72

11 아옌데 운석의 회수; 태양과 운석 성분의 일치에서 성간 티끌에 갇혀 있던 중원소들이 어떤 형태로든 원시 태양계 성운으로 진입할 수 있었다. 그리하여 지구와 같은 고체 위성의 형성에 결정적 요소로 작용했다. 철질 운석 : The Mystery of Comets, p.101 왼쪽 위 : The New Solar System, p.241 왼쪽 아래 : The Mystery of Comets, Fred L. Whipple 저, p.101 알렌데 운석의 성분 : The New Solar System (3판), J. Kelly Beatty & Andrew Chaikin 편집, p.243 S.S.Hong SNU,

12 Modern Classification of Meteorites
유 용재 `10 Modern Classification of Meteorites 분화 과정 금속 함량 S.S.Hong SNU,

13 Chondrules (입상체 粒狀體) S.S.Hong SNU, 유 용재 `10

14 Structure of Chondrite
Matrix : dark, fine-grained background Chondrules : nearly spherical “droplets”, typically of mm-size CAI : bright & irregularly shaped, calcium-aluminum-rich inclusions S.S.Hong SNU, 유 용재 `10

15 탄질 콘드라이트의 화학 조성 아옌데 운석의 응결 시기를 동위원소 측정 방법으로 조사해 본 결과 약 45억년인 것으로 판명됐다. 원시 태양의 태동 시기와 거의 일치한다. 태양이 형성되던 시기와 원시 태양계 성운 시절에 만들어졌다고 판단되는 운석을 조사해 본 결과, m 또는 그 이하의 크기를 갖는 미세 고체 입자, 즉 성간 티끌이 그 안에 들어 있었다. 티끌을 구성하는 각종 동위 원소들의 함량비를 조사해보니, 이들이 30 여 종의 서로 다른 별들에서 온 것임을 파악할 수 있었다. 티끌은 ‘별의 파편’으로서 별 내부 혹은 폭발 과정에서 만들어진 중원소를 간직하고 있다가, 원시 태양계 성운으로 들어와 지구 생명을 키우는 데 결정적인 역할을 했을 것이다. 다음 그림에서 확인할 수 있는 바와 같이 태양의 대기를 구성하는 물질의 화학 조성과 45억 년 전에 굳어졌을 것으로 추정되는 아옌데 운석의 화학 조성이 놀랄만할 정도로 일치하다. 그러므로 태양계의 구성원들은 모두 동일한 성간운에서 태동했음에 틀림이 없다. 태양 대기의 화학 조성 S.S.Hong SNU,

16 태양계 성운 태양/행성 소행성/유성체 미행성/혜성  동일한 화학 조성 태양 대기 S.S.Hong 아옌데 운석
SNU, 아옌데 운석

17 26Al → 26Mg + electron + energy ; half-life 700,000 years
Melting of asteroids may result from the presence of small amount of 26Al. Only 0.005% of 26Al can provide enough heat to melt ~km wide asteroid. 182Hf decays in 182W with half-life 9 x106 years. ________________________________________________________________ CAI Age = x 109 years before present. Chondrule Age = x 109 years before present. Chondrule age has wider spread than CAI. Some iron meteorites are shown to be 2~3 Myrs older than the chondrules by Hf/W chronometer. It seems than some meteorites formed even before CAI. S.S.Hong SNU,

18 우주, 지각, 인체의 성분 비교 Cosmic Material Earth’s Crust Human Body
H H H He Si O O Al C Ne H N N Na Ca C Ca P Si Fe S Mg Mg Na Fe K K S Ti Cl Is life is a random mixture of cosmic matter ? No !!! Importance of C, O, N, P and S should be noticed. S.S.Hong SNU,

19 5. 암흑 성간운의 중력 수축 초신성 폭발이 중원소를 합성하는 중요 기작일 뿐 아니라 성간 운의 중력 수축을 유발시키는 방아쇠의 구실도 한다. 일본 나고야 대학이 남미 안데스에 NanTen.南天. 천문대를 건설하고, 성간 분자 CO가 방출하는 파장 2.6mm의 전파 선을 집중 관측하고 있다. 초신성 폭발의 충격파가 주위에 있던 성간 가스를 압축하여 밀도의 증가를 불러옴으로써 성간운의 중력 수축을 촉발한다. 하나가 죽어 여럿이 탄생! 태양이 SN 폭발로 촉발된 수축에서 만들어졌는지 확실하지 않지만 태양도 암흑 성간운의 중력 수축 결과로 태어났을 것이다. [서울대학교 천문학과도 나고야 대학의 남천천문대 사업에 참여하고 있다. 특히 우리 연구진이 난텐 전파 망원경의 경면 정밀도를 측정하고 조정하는 일을 한다. ] S.S.Hong SNU,

20 6. 성간 물질의 중원소 결핍 현상 S.S.Hong SNU,

21 성간 티끌의 여행 별 내부에서 일어나는 핵융합 반응으로 수소에서부터 중원소들이 합성된다.
합성된 중원소는 PN과 SN 등의 과정을 통해 티끌의 형태로 성간 가스에 첨가된다. 티끌을 포함한 성간운이 중력 불안정으로 수축하여, 중심에 별이 먼저 생기고 그 주위에 행성이 만들어진다. 생명체의 화학 조성을 보건대 티끌을 구성했던 중원소가 생명의 씨앗으로 기능했음을 알 수 있다. 그리하여 지구에 생명이 탄생하고 이 생명 중 인류가 문명을 일으켜 오늘에 이르게 했다. S.S.Hong SNU,

22 생명의 기원과 진화 versus 별의 기원과 진화
태양을 구성하는 중원소는, 모두 다른 별들의 중심 핵에서 핵융합 반응을 거쳐 합성된 다음에 행성상 성운과 초신성 폭발을 통해 성간 물질에 공급된 것이다. 지구에서 발견되는 중원소 중의 어떤 동위 원소는, 태양이 탄생하기 직전에 있었던 초신성 폭발에서 비롯한 것임이 확실하다. 생명 탄생에 태양이 수행한 결정적 역할의 흔적을 우리는 지구 생명에서 찾아볼 수 있다. 지구에서 진행되는 모든 생명 활동이 태양 에너지에 전적으로 의존한다. 돌연변이를 통한 유전 형질의 변화가 생명 진화를 추동 하는데, 돌연변이를 촉발하는 고 에너지 우주선 입자들은 초신성 잔해에서 고 에너지로 가속된 것이다. 지구 생명을 구성하는 중원소 모두가 별의 내부에서 합성된 것이다. 생명 진화의 근원은 중량급 항성의 극적 최후에까지 닿아있다. S.S.Hong SNU,

23 7. 우주 구조물과 시간 척도의 계층성 7.2 몇 가지 기억 해 두면 편리한 숫자 7.1 우주 구조물들의 크기 및 거리 척도
7.1 우주 구조물들의 크기 및 거리 척도 10의 몇 제곱 [ Powers of Ten : 10n ] 100= 103 = = /1000 104 = = 1/10000 105 = = 1/100000 7.2 몇 가지 기억 해 두면 편리한 숫자 빛의 속도 = 초속 3억m = 초속 3십만 km = 300,000 km/sec 빛의 지구 - 태양 주파 시간 = 8분 20초; 지구 - 대양 거리 = 8.3 광분 광년 ; 태양에서 제일 가까운 별까지의 거리 = 약 3 광년 우주 나이 = 137억 년 1년 = 3 x 107 초; 30,000,000 초; 3천만 초 S.S.Hong SNU,

24 층층이 끝없이 펼쳐지는 세상을 보고 무슨 생각이 들던가요?
7.3. 몇 가지 시간 척도 강산의 변화 시간 척도 = 년 인생의 변화 시간 척도 = 년 인간의 수명 = 년 왕권의 평균 수명 = 2 x 102 년 ; 생명 종의 수명 = 106 년 태양계의 형성 시기 = 억 6700만 년 전 지구 생명의 출현 시기 = 억 년 전 공룡의 멸종 시기 = 만 년 전 ‘ Powers of Ten ’ 감상 층층이 끝없이 펼쳐지는 세상을 보고 무슨 생각이 들던가요? S.S.Hong SNU,

25 아, 순식간에 나는 얼마나 지치고 지루했던지 …… 마침내 나는 조용히 일어나 밖으로 나가 혼자 거닐었다.
신비롭고 촉촉한 밤 공기 속에서 이따금씩 눈을 들어 별들을 바라보았다. 완전한 고요 속에서. When I heard the Learn’d Astronomer Walt Whitman, S.S.Hong SNU,

26 S.S.Hong SNU,

27 `` 觸髏元是塵 ” 困睡飢食稱樂事 識得觸髏元是塵 忘心己得安心法 出世無餘處世眞
困睡飢食稱樂事 識得觸髏元是塵 忘心己得安心法 出世無餘處世眞 고달프면 자고 배고프면 먹는 것은 즐거운 일이라 하는데, 해골이 본래 먼지였음을 알았더라면, [ 觸髏 촉루 = 骸骨 ] 마음 잊고 마음 편히 하는 법을 이미 얻었나니, 세상을 벗어나 세상살이 진실하네. 불기 2547년 10월 4일 대한불교 조계종 통도사 영축총림 방장 月下 월간 불타 통권 189호, p 2. S.S.Hong SNU,