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통합과학의 첫 단원은 세상을 이루는 물질은 어디서 왔는가에 대한 물음으로부터 시작된다. 팽창하는 우주에서 시간을 거꾸로 거슬러 올라가 지금으로부터 약 138억 년 전에는 현재 우주에 존재하는 모든 물질과 에너지가 초고온, 초고밀도 상태로 한 점에 모여 있었다.

이때는 아직 우주가 생성된 것은 아니기 때문에 시간도 공간도 모두 존재하지 않았던 상태다.

빅뱅’으로 우주 탄생
빅뱅(대폭발)이 일어나며, 우주가 탄생했다. 빅뱅 직후에는 빛과 물질이 혼합돼 존재했으며, 빛이 물질로, 물질이 빛으로 바뀌는 쌍생성과 쌍소멸이 반복돼 나타났다.

별의 탄생
별은 밀도가 크며, 온도가 낮은 성운에서 탄생한다. 이는 이 지역의 중력이 커서 쉽게 수축할 수 있기 때문이다. 만약 성운의 온도가 높으면 그곳에 존재하는 기체 분자들이 활발하게 운동해 흩어지기 때문에 더 큰 질량의 덩어리가 될 수가 없다. 따라서 온도가 낮고, 밀도가 높은 성운은 별이 탄생하기에 가장 적합한 지역이 된다.

성운에서 밀도가 높은 부분은 자체 중력에 의한 수축이 일어난다. 이때 위치에너지가 열에너지로 전환되는 *중력수축 에너지가 발생하면서 중심부의 온도가 상승한다. 온도가 상승하면서 검붉은 기체 덩어리의 형태를 가진다. 이를 원시별이라 한다. 하지만 이는 아직 진정한 형태의 별이 아니다.

*중력수축 에너지

중력에 의한 수축이 일어날 때 발생하는 에너지 (별의 탄생 초기 에너지원)

중력 수축에 의해 중심부의 온도가 1000만K(절대온도) 이상이 되면 중심부에서는 수소의 핵융합이 일어나 핵융합 에너지가 발생하는데, 이때부터 주계열성 단계를 가지는 진짜 별이라고 한다. 별들은 이 주계열성 단계에서 대부분의 일생을 보내며 우리 주변의 대표적인 주계열성 단계인 별은 바로 태양이다.

*핵융합 에너지

원자핵의 결합으로 질량이 감소하고, 감소한 질량만큼 에너지 발생

이때 성운에서 탄생한 별은 그 질량에 따라 진화 과정이 다른데, 이는 질량에 따라 중심부의 온도가 달라지기 때문이다. 중심부의 온도가 높아질수록 더 무거운 원소들의 핵융합이 가능하다. 그리고 적색거성이나 초거성 이후 별의 진화 과정은 질량에 따라 다르게 나타나며, 질량이 큰 별일수록 많은 에너지를 빨리 소모하기 때문에 별의 진화 속도가 빠르고 수명이 짧다.

주계열성의 중심부에서 수소가 핵융합을 통해 모두 헬륨으로 바뀌고 나면 핵융합이 끝나게 된다. 내부에서 핵융합이 일어나지 않으면 온도가 내려가고 수축하게 된다. 그런데 중심부의 중력 수축에 의해 온도가 높아지면 상대적으로 온도가 낮아 핵융합이 일어나지 않던 바깥 부분의 온도가 높아지면서 수소 핵융합 반응이 일어난다. 수소 핵융합 반응으로 바깥 부분의 온도가 점차 더 높아지면 팽창이 일어나면서 붉은색을 띠는 적색거성이 된다. 질량이 큰 별의 경우는 그 팽창의 정도가 더 많이 일어나 초거성이 되는 것이다.

적색 거성 중심부의 온도가 1억K 이상으로 상승을 하게 되면 헬륨의 핵융합이 일어나고, 이로 인해 헬륨은 모두 탄소로 바뀌게 된다. 그러면 중심핵은 수축해 백색 왜성이 되고, 바깥의 물질들은 외부로 방출돼 행성상 성운이 된다.

초거성 중심핵이 모두 철로 바뀌면 핵융합 반응이 멈추고 중력에 의해 중심부가 계속적인 수축을 하다가 일정 한계에 도달하면 갑자기 폭발을 한다. 이 폭발로 별은 *중성자별 혹은 *블랙홀로 발전하게 되는데, 이 과정에서 핵으로부터 다량으로 방출된 중성자들이 별에 존재하던 철원자핵에 흡수돼 납 등 철보다 무거운 원소가 생성된다.

*중성자별
초신성 폭발 뒤 중심부가 더욱 수축해 중성자로만 이뤄진 밀도가 큰 별
*블랙홀
중성자별보다 질량이 더욱 크고, 밀도와 표면 중력이 너무 커서 빛조차 빠져 나올 수 없는 공간

이런 과정을 통해 우리는 성운에 존재하는 많은 성간 물질에서 다음 세대의 별이 탄생함을 알 수 있다. 그리고 무거운 원소들은 행성상 성운이나 초신성 폭발을 통해 다시 성간 물질로 되돌아감을 알 수 있다. 이러한 과정의 반복에 의해 성간 물질 중 무거운 원소의 양은 점점 증가했으며, 우주의 여러 천체들과 지구의 생명체를 이루는 원소들은 이러한 별의 탄생과 진화 과정에서 만들어진 원소들에 의해 이뤄지게 됐다. 별의 탄생과 진화 그리고 소멸 과정을 통해 현재 지구상을 이루는 물질이 생성된 것이다.