프레드 호일 항성핵합성, 네 몸속 철분이 죽은 별에서 왔다는 이야기

우주에 수소밖에 없었다면, 우리 몸은 대체 뭘로 만들어진 걸까?

자, 한번 상상해 봐요. 우주가 처음 태어났을 때, 있는 거라곤 수소랑 헬륨뿐이었어요. 수소는 우주에서 가장 가볍고 단순한 원소예요. 헬륨은 풍선에 넣으면 둥둥 뜨는 그 가스고요. 딱 그 두 가지. 끝이에요.

그런데 이상하지 않아요? 우리 몸은 탄소, 산소, 칼슘, 철 같은 온갖 원소로 이루어져 있거든요. 뼈에는 칼슘이 들어 있고, 피에는 철분이 돌아다니고, 숨 쉴 때 들이마시는 건 산소잖아요. 이런 것들이 수소랑 헬륨에서 대체 어떻게 튀어나온 걸까요?

1940~50년대, 과학자들도 이 질문 앞에서 머리를 쥐어뜯고 있었어요. "우주 초기에 모든 원소가 한꺼번에 만들어졌다"고 주장하는 사람들이 많았는데, 계산을 해 보면 앞뒤가 안 맞았거든요. 수소에서 바로 철이나 금 같은 무거운 원소를 만들어내는 건, 레고 1번 블록 하나로 갑자기 완성된 성을 뚝딱 조립하는 것만큼이나 말이 안 됐어요. 바로 이 막힌 퍼즐 앞에 한 영국 청년이 등장해요.

별이 용광로처럼 원소를 '요리'한다는 걸 알아낸 사람이 있었다

그 청년의 이름은 프레드 호일이에요. 영국 요크셔 시골에서 태어나, 학교를 뺑뺑이 돌다가 결국 케임브리지 대학에 들어간 고집불통 천재였죠. 호일은 다른 과학자들과 완전히 반대 방향으로 생각했어요. "원소는 우주 탄생 순간에 만들어진 게 아니라, 별 안에서 천천히 '요리'된 거다!"

별 내부는 온도가 수천만 도를 넘어요. 급식실 가마솥은 겨우 100도인데, 그 수십만 배라고 생각하면 돼요. 이 어마어마한 열과 압력 속에서 수소 원자들이 서로 쾅쾅 부딪히면서 합쳐져요. 이걸 '핵융합'이라고 하는데, 쉽게 말하면 가벼운 원소들이 뭉쳐서 무거운 원소로 변하는 거예요.

호일은 이 과정이 양파 껍질처럼 층층이 일어난다는 걸 계산으로 보여줬어요. 별의 바깥층에서는 수소가 헬륨으로, 그 안쪽에서는 헬륨이 탄소로, 더 깊이 들어가면 산소, 규소, 그리고 맨 중심에서 마침내 철이 만들어져요. 마치 게임에서 재료를 조합해 점점 높은 등급의 아이템을 만드는 것처럼요. 1957년, 호일은 동료 과학자 세 명과 함께 이 이론을 정리한 논문을 발표했어요. 이 논문은 저자 네 명의 이니셜을 따서 'B²FH 논문'이라 불리는데, 천문학 역사상 가장 중요한 논문 중 하나로 꼽혀요. 그런데 별이 원소를 만든다 해도, 그걸 별 속에 꽁꽁 가두고만 있으면 소용없잖아요?

별이 폭발하지 않았다면, 지구도 너도 나도 존재할 수 없었다

맞아요, 핵심은 바로 '폭발'이에요. 별은 영원히 살지 못해요. 거대한 별이 철까지 만들어내면 더 이상 에너지를 짜낼 수가 없어서, 중심이 와르르 무너져요. 그 반동으로 별 전체가 어마어마한 폭발을 일으키는데, 이걸 '초신성 폭발'이라고 해요. 유튜브에서 가끔 보이는 우주 폭발 영상, 그거 바로 이거예요.

이 폭발이 얼마나 강력하냐면, 한순간에 은하 전체보다 더 밝게 빛날 정도예요. 학교 운동장 조명 하나가 갑자기 서울시 전체 불빛보다 환해지는 거라고 생각하면 돼요. 이때 별 속에서 만들어진 탄소, 산소, 칼슘, 철 같은 원소들이 우주 공간으로 쏟아져 나가요. 폭발의 순간에는 철보다 더 무거운 금이나 우라늄 같은 원소까지 만들어지고요.

그렇게 우주를 떠돌던 원소 먼지들이 다시 모여서 새로운 별과 행성을 만들어요. 약 46억 년 전, 그렇게 모인 먼지가 뭉쳐서 태어난 게 바로 우리 지구예요. 호일의 이론 덕분에 우리는 깨달았어요. 지구의 돌멩이, 바닷물, 공기, 그리고 그 위에 사는 모든 생명체가 죽은 별의 잔해로 만들어졌다는 걸요. 그런데 잠깐, 이 이야기가 정말 나랑 상관있는 걸까요?

지금 네 피 속 철분, 뼈 속 칼슘 — 전부 별의 유산이야

당연히 상관있어요. 아니, 상관있는 정도가 아니라 여러분 자체가 바로 그 증거예요. 지금 여러분의 피 속에서 산소를 온몸에 나르는 헤모글로빈, 거기에 들어 있는 철분은 수십억 년 전 어떤 거대한 별의 심장부에서 만들어진 거예요. 뼈를 단단하게 지탱하는 칼슘도, 연필심에 들어 있는 탄소도, 전부 다 별에서 왔어요.

프레드 호일은 이런 말을 남겼어요. "우리 몸을 이루는 모든 원자는 한때 별의 내부에 있었다." 급식 시간에 시금치를 먹으면서 "이 철분, 원래 별이었네" 하고 생각해 보세요. 좀 멋있지 않아요?

참, 재미있는 사실 하나 더요. '빅뱅'이라는 말, 들어 본 적 있죠? 우주가 대폭발로 시작됐다는 그 이론이요. 그 이름을 만든 사람이 바로 호일이에요. 그런데 아이러니하게도 호일은 빅뱅 이론에 반대하는 사람이었어요! 라디오 방송에서 "그 사람들 말로는 우주가 어느 날 갑자기 빅뱅, 하고 터져 나왔대요"라고 놀리듯이 말한 게 이름이 되어 버린 거예요. 자기가 싫어하는 이론에 역사상 가장 유명한 이름을 붙여 준 셈이죠. 오늘 밤 하늘을 올려다보면, 저 별 하나하나가 지금도 원소를 만들고 있다는 걸 떠올려 봐요. 언젠가 그 별도 폭발해서, 또 다른 세상의 재료가 될 거예요. 여러분은 별의 자녀이고, 우주 그 자체예요.