태양 핵융합

태양에서 일어나는 핵융합에 대해서 조금 알아보자.https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%83%9C%EC%96%91

태양 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

 

태양은 우리 태양계 중심에 있는 우리의 항성, 즉 제일 가까운 햇님이다. 지구에서 태양까지는 금성과 수성을 지나 약 1억 5000만 km라고 한다. 지구 반지름이 약 6400 km, 즉 지구 한바귀는 42000km니까, 지구에서 태양까지 거리는 지구를 150,000,000 / 42,000 ~ 35,714번을 돌고 남을 거리이다. 빛의 속도로 가면 8분 20초 걸린다. 지금 내가 보는 빛은 태양에서 8분 20 초 전에 떠난 빛이다. 참고로, 태양은 우리 은하중심에서 약 25,000광년 떨어져 있고, 우리 은하계를 약 2억 5천만년에 한 번 돌고 있다고 한다. 후덜덜. 우주는 약 138억년전에 시작되었고, 태양의 수명은 약 45억년이니, 우리 태양은 은하 중심을 이제, 20번 정도 돌은 셈이다. 앞으로 태양은 핵융합 반응이 50억년정도 더 가능하다고 하니, 우리 은하를 총 40번 정도 도는 동안, 수소를 타 태워버리고 헬륨만 거의 남게 되면서 태양 중심부에 수소를 태우면서 적색외성을 거쳐 결국 백색외성으로 최후를 맞이하게 될 것 이라고 한다. https://namu.wiki/w/%EB%B0%B1%EC%83%89%EC%99%9C%EC%84%B1 

 

햇님에서 시작한 빛과 열은 핵융합 반응의 부산물이다. 태양의 반지름 700,000km이니 지구보다 약 100배 크다. 따라서 수소와 헬륨 가스덩어리로 이루어져있지만 중력도 지구보다 크다. 태양 표면에서의 중력 가속도는 280 m/s^{2} 으로 지구보다 약 28배정도 크다. 즉 내 몸무게가 지구에서 100kg인데 태양에 가서 재면 2800kg이 되버린다. 후덜덜. 태양의 무게는 2x10^{30} kg으로 지구보다 300,000 배 무겁다고 한다. 

 

이 큰 중력 때문에 수소와 헬륨 플라즈마 가스들이 도망가지 못한다. 즉 핵융합 반응으로 태양중심부 온도는 1,500만도, 태양 겉표면은 5,000도정도 되는데, 중력때문에 이 가스들이 도망가지 못하고, 즉 팽창하지 못하게 된다. 즉 중력이 가스 입자들을 꽉 잡고 있는것이다. 그 와중에 높은 온도때문에 수소 플라즈마 입자들은 핵융합을 하게 된다. 스스로 핵융합 반응이 일어나서, 영어 표현으로 쓰자면 burning plasma라고 한다.  다시말해 잡아당기는 중력과 핵융합 반응으로 생겨나는 팽창하는 압력, 두 개의 힘 (중력, 압력) 사이가 평형 상태를 이루어 태양의 크기가 결정되는 것이다. 영어로는 hydrostatic equilibrium이라고 한다. https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%95%AD%EC%84%B1%EA%B5%AC%EC%A1%B0

항성구조 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

 

태양에서 일어나는 핵융합반응은 양성자-양성자 핵융합이라고 한다. 양성자 한개와 다른 양성자 한개가 만나 핵융합 반응이 일어나면서 한개의 양성자는 중성자로 바뀌게 되어, 중성자-양성자 한 쌍, 즉 중수소 입자가 된다.. 이 때 다른 양성자 한 놈이, 다시 핵융합 반응으로 달라붙게 되면, 이제 양성자 두 개에 중성자 한 개가 되어, 헬륨-3 핵이 만들어지게 된다. 이 때 감마 레이가 핵융합 반응의 부산물로 태양에서 나오는 빛이 되겠다. 자 이제, 거의 다 왔다. 이제 요 헬륨-3 핵은 다른 헬륨-3 핵입자와 다시 또 핵융합하면서, 중성자 두 개와 양성자 두개로 이루어진 헬륨-4가만들어지는데, 이 때 두 개의 양성자가 생겨나는데, 얘네들은 결국 다른 핵융합 반응에 참여할 것이다.  다음의 그림 1 참조 (빨간 애들이 양성자다):

https://energyeducation.ca/encyclopedia/Nuclear_fusion_in_the_Sun

 헬륨-4는 중성자 두 개, 양성자 두개로 이루어졌지만, 이 놈의 무게는 중성자 두개와 양성자 두개의 질량보다는 적게 나간다. 즉 아이슈타인의 에너지 질량 등가 (E=mc^2)로 인해 없어진 질량은 빛과 열, 즉 에너지로 바뀐 것이다. 이 무게는 얼마나 될까? 중성자 두개와 양성자 두개의 총 무게의 0.7%정도라고 한다. 별로 안되는 것 같지만, 일단 아이슈타인 공식을 보면 빛의 속도(3x10^8 m/s) 의 제곱이 붙으면서 엄청난 에너지로 일단 변한다. 뿐만 아니라, 이런 핵융합 반응이 태양에서 초당 ~ 10^{38} = 100000000000000000000000000000000000000 번 일어난다고 한다. 허걱!