모든 것의 기원

데이비드 버코비치/박병철

책세상/2017.10.25.

sanbaram

이 세상은 어떻게 생긴 것일까? 사람은 언제부터 살기 시작했나? 앞으로의 지구는 어떻게 변할까? 다른 천체에도 인간과 같은 고등동물은 있을까? 이런 물음은 어렸을 때부터 지금까지 꾸준한 궁금증을 일으키는 것들이다. <모든 것의 기원>은 이렇게 시작되는 물음에 대한 가장 핵심적인 질문에 대한 답을 찾기 위한 예일대학교 학부생들의 요청에 의해 한 학기 동안 진행되었던 세미나 내용을 엮은 것이라고 한다. 저자는 예일대학교 프레더릭 윌리엄 바이네케 석좌교수이자 동대학 기후, 에너지 연구소 소장이다. 그의 연구 분야는 행성물리학으로, 판구조론과 지구의 내부 및 화산의 원리 등을 연구하고 있다. 미국지구물리학회 및 예술과학아카데미 회원으로도 활동 중이며, 탁월한 연구와 저서로 제임스 매클웨인 명예훈장과 국립과학재단의 젊은 과학자상 등 수많은 상을 받았다.

<모든 것의 기원>은 8개의 장으로 나누어 궁금증에 대해 설명한다. 1장 우주와 은하, 2장 별과 원소, 3장 태양계와 행성, 4장 지구의 대륙과 내부, 5장 바다와 대기, 6장 기후와 서식 가능성, 7장 생명, 8장 인류와 문명, 등이다. 우주는 138억 년쯤 전에 빅뱅이 일어나면서 탄생 했다. 빅뱅 후 최초의 은하가 형성될 때까지는 약 10억 년이 걸렸고, 은하단과 초은하단이 형성될 때까지는 10-20억년이 더 소요되었다. 1기 초거성이 폭발하여 흩어지면서 우리의 태양계는 46억 년쯤 전에 은하의 가장자리에 형성되었다. 지구에 생명체가 출현한 것은 36억 년쯤 전이며, 동물이 탄생한 것은 30억년, 인간의 조상은 700만 년 전에 탄생했다. 20만 년 전에 네안데르탈인과 호모사피엔스가 등장했고, 호모 에렉투스는 5만 년 전에, 네안데르탈인은 3만 년 전에 호모사피엔스에 유전자 일부를 남기고 사라졌다. 인류가 정착한 것은 12,000년 전쯤이고 문명이 발달하기 시작한 것이 7,000년 전이라는 것이다. 이렇게 생겨난 것들의 원인을 하나씩 풀어서 설명하는 것이 이 책의 내용이다.

“우주에 존재하는 질량과 에너지의 70%는 암흑에너지이고, 25%는 암흑물질이 차지하고 있다. 별과 행성, 인간 등 우리에게 친숙한 물질은 나머지 5%에 불과하다. 게다가 암흑물질과 암흑에너지는 은하와 같이 큰 규모의 우주에서 작용하기 때문에, 인간의 한정된 감각으로는 그들의 존재를 느낄 수 없다.(p.40)” 은하와 은하단의 형태를 유지시켜주는 암흑물질이 눈에 보이지 않는 이유는 마이크로파에서 자외선에 이르는 모든 파장대의 빛과 상호작용을 하지 않기 때문일 것이다. 최근 들어 천문학자들은 우주에 존재하는 질량의 대부분이 암흑물질이며, 최초의 은하에도 수소나 헬륨보다 암흑물질이 훨씬 많았다고 결론지었다. 그러나 아직은 간접 증거밖에 없기 때문에 암흑물질의 구성성분은 완전히 미스터리로 남아 있다.

“덩치가 작은 별은 수소를 원료삼아 기껏해야 헬륨밖에 만들지 못하기 때문에 물질의 창조에 관한 한, 태양과 크기가 비슷하거나 더 작은 별들은 배경에서 노는 엑스트라에 불과하다. 질량이 태양의 15배 이상인 별들은 중심 온도가 1,500만도에 도달해도 머물지 않고 계속 수축되면서 무거운 원소를 만들어낸다. 예를 들어 온도가 1억도에 도달하면 헬륨이 핵융합 반응을 일으켜 탄소와 산소가 생성되고, 이보다 큰 초거성들은 핵융합을 여러 번 반복하여 철까지 만들 수 있다.(p.51)” 리튬, 베릴륨, 탄소, 산소, 질소, 납, 철 등 헬륨보다 무거운 원소들은 별의 내부에서 핵융합 반응을 통해 만들어졌다. 우리의 몸을 이루고 있는 모든 원자들은 과거 어느 날 별에서 만들어진 것이다. ‘별의 후손’이라고 하면 무슨 외계인이나 신성한 존재를 떠올리지만, 사실은 우리가 별의 직계 후손인 셈이다.

“태양이 죽으면 백색왜성이 된다. 초신성의 폭발로 중심부 질량이 태양의 2-3배 정도라면 중성자별이 된다. 별이 폭발하고 남은 잔해의 질량이 태양의 3배가 넘으면 쿼크별이 되고, 잔해의 질량이 태양의 5배가 넘으면 블랙홀이 된다. 천문학자들은 모든 은하의 중심에 초대형 블랙홀이 자리 잡고 있을 것으로 추정하고 있다.(p.59)” 평생 동안 무거운 원소를 열심히 만들었던 큰 별들이 폭발하여 온갖 무거운 원소를 은하수 전역에 퍼뜨렸고, 그중 일부가 성간구름에 유입되어 행성을 거느린 별이 탄생했다. 우리의 태양계도 50억 년 전에 이런 과정을 거쳐 탄생했는데, 지금 정도의 규모가 되려면 꽤 많은 거성이 폭발해야 한다. 하나의 거성에서 날아온 잔재 중 특정 태양계의 형성에 투입되는 양은 극히 일부에 불과하기 때문이라고 한다.

“희귀 지구 가설에 의하면 지구는 은하수의 적절한 위치에 자리 잡은 덕분에 생명체 탄생에 적절한 환경을 확보할 수 있었다. 만일 우리의 태양계가 은하수의 중심에 가까웠다면 초대형 블랙홀이 내뿜는 가공할 복사에너지에 초토화되었을 것이다. 또한 지구는 탄생 시기도 적절했고(생명에 필요한 원소들이 모두 만들어진 후에 탄생했다), 물이 고체, 액체, 기체 상태로 모두 존재할 수 있을 정도로 태양과의 거리도 적당했다. 천문학적 조건 외에도 지구는 지질구조판을 갖고 있어서 안정된 기후를 확보할 수 있었으며, 달의 조력에 의한 조수현상 덕분에 수상생물이 육지생물로 진화할 수 있었다. 조간대에 사는 생물들은 물이 찼을 때 물속에서 살다가 물이 빠지면 육지 생활을 하면서 육상생물의 첨병 역할을 했다. 뿐만 아니라 지구는 자전축이 공전 면에 대하여 적당한 각도로 기울어져 있어서 계절이 주기적으로 변했고, 그 덕분에 다양한 생명체가 출현할 수 있었다.(p.178)”

지자기장의 원천이 액체 상태의 핵이라고 한다. 자기장은 시간에 따라 조금씩 달라지고 있는데, 이 변화는 맨틀의 지질학적 변화(손톱이 자라는 속도)보다 빠르게 진행된다. 지진이나 화산 폭발이 일어나는 것, 지각 판이 움직이는 것도 이렇게 느리게 움직이는 매틀에 의한 것이라고 한다. 지구의 바닷물이 어디에서 왔는가 하는 가설이 두 가지다. 혜성에서 왔다는 설과 지구가 처음 생성될 때의 구성성분에 물이 포함되어 있었다는 설이다. 해왕성과 명왕성 너머에는 오르트구름이라는 거대한 구형 구름이 태양계를 에워싸고 있는데, 이 구름과 태양 사이의 거리는 지구와 태양 사이 거리의 5만 배, 태양과 해왕성 사이 거리의 2,000배에 달한다. 이 정도면 거의 1광년에 가까운 거리다. 오르트구름은 장주기 혜성의 고향으로, 이곳에서 날아온 혜성은 엄청나게 큰 타원궤도를 그리면서 약 200년에 한 번 꼴로 태양계 안쪽을 지나간다.

카이퍼벨트는 헬리혜성과 같은 단주기 혜성의 고향으로 알려져 있다. 오르트구름과 카이퍼 벨트는 행성이나 위성에 편입되지 못한 잔해들의 집합일 것으로 추정되며, 카이퍼 벨트는 구형의 오르트 구름과 달리 납작한 도넛 모양을 띠고 있다. (목성과 토성은 태양계가 형성되기 전에 존재했던 성운의 구성성분이 그대로 유지되고 있다. 사실 이 성분들은 빅뱅이 일어난 직후부터 지금까지 거의 변하지 않았다.) 소행성 벨트에서 날아온 운석의 화학성분(콘드라이트 등)과 동위원소 함유량은 지구와 대충 비슷하지만, 지구에 물과 이산화탄소를 실어 나른 배달부는 소행성이 아니라 주로 혜성이었다. 이런 점들을 고려할 때 대기와 바다의 대부분은 지구가 처음 생성될 무렵부터 구성 성분에 이미 내재되어 있었다고 보는 것이 타당하다고 한다.

지구의 대기압이 60기압이었던 시절, 물은 200-300도C에서도 액체상태로 존재했고(정확한 비등점은 270도C 이다.) 대기 중 이산화탄소가 물과 바위에 스며들면서 기온이 서서히 내려갔다. 물이 많아지면서 이산호탄소가 더 많이 녹아서 기온은 더 내려가는 과정이 반복되면서 지각판의 운동이 활발해졌고, 대기 중 이산화탄소 함유량은 꾸준히 감소하여 아주 소량을 제외하고는 대부분 바위 속으로 흡수되었다. 반면에 금성은 태양빛이 너무 뜨거워서 지표면에 액체 상태의 바다가 존재할 수 없었고, 화성에는 자기장이 존재하지 않기 때문에 태양풍이 불 때마다 대기의 상당 부분을 잃어버렸다. 그래서 지구에만 생명체가 생겨날 수 있었다는 것이다.

“불을 사용한 최초의 인간은 약 200만 년 전에 등장한 호모 에렉투스였다. 아프리카와 유라시아에서 발견된 화장의 흔적은 인류가 100만년쯤 전부터 불을 다스려왔음을 보여준다. (p.250)” 12,000년 전부터 기후가 온화해지기 시작하여 5,000년 전에 정점을 찍었고, 바로 이 무렵에 다양한 형태의 농업이 시작되었다. 이 무렵에 인간은 식물을 재배하고 동물을 사육함으로써 충분한 식량을 확보할 수 있었다. 금속제 도구는 청동기시대가 시작되는 약 5,000년 전부터 등장한다. 농사를 시작한 후로는 여러 사람들이 집단을 이루고 살았다.

이 책에서 설명하는 빅뱅이론이나 우주를 이루는 성분들이 초거성에서 만들어진 원소로 이루어진 것, 생명체가 탄생하기 위해서 갖추어야 될 조건, 인간의 조상이 어떻게 현재의 인류와 연계되어 발전했는지 등과 기후의 변화 원인과 특성 등 다양한 것들을 설명하고 있다. 물론 자세한 것을 설명하기 보다는 기초적인 것들만 말하고 있는데도 이해가 쉽지 않은 부분이 많다. 하지만 이런 것들을 통해 더 많은 궁금증이 유발되고 그것을 해결하기 위해 노력한다면 충분히 이 책의 목적은 달성되리라 생각된다. 보다 많은 사람들이 이 책을 읽고 다양한 궁금증 해결의 실마리를 찾을 수 있기를 기대한다.