원소들은 초신성 폭발이 아닌, 지구에서 형성될 수 있다

미디어위원회

2021-11-07

원소들은 초신성 폭발이 아닌, 지구에서 형성될 수 있다

(Earth Factories, Not Exploding Stars, May Form Elements)

David F. Coppedge

원소들의 기원에 대해 교과서가 수십 년 동안 가르쳐 온 것은 완전히 사실이 아닐 수 있다.

뭐라고? 원소들은 항성의 내부가 아니라, 지구에서 형성된다고? 엉뚱하게 들리지만, 미국 물리학 연구소의 연구자들이 이렇게 말하고 있었다. 그들의 새로운 제안을 읽어보라.

빅뱅 이론의 중원소(Heavy Elements) 수수께끼에 도전하다.(AIP Advances News, 2021. 10. 12). 미국 물리학연구소(American Institute of Physics)의 연구자들은 감히 빅뱅 이론에 의해서 합의된 중원소(heavy elements)들은 항성 내부에서 생성된다는 전통적 개념에 도전하고 있었다. 그들은 자신들이 누구라고 생각하고 있는 것인가? 음, 물리학자들이다. 그들은 원소에 대해 조금 알고 있는 사람들이다. 게다가, 물리학자들이 모여있는 권위 있는 연구소는 엉뚱한 목소리를 낼 것 같지는 않다.

우주가 형성되었을 때, 빅뱅 동안에 존재했던 유일한 화학 원소들은 수소, 헬륨, 리튬이었다. 초신성들이 그들 생애의 마지막에서 폭발하고, 무거운 중원소들로 변환시켰고, 우주 전체에 그것들을 분포시킨 원인이라는 것은 오랫동안 이론화되어 왔다.

일본과 캐나다의 연구자들은 이제 빅뱅 퍼즐의 한 조각에 도전하고 있다. 철(iron)보다 무거운 모든 원소들은 정말로 별의 폭발에서 비롯된 것일까? 아니면 판구조적 움직임에 의한 동력학에 기인하여, 지구 맨틀 깊은 곳에서 생성됐던 것일까?

이 급진적인 대안 이론은 일본과 캐나다의 물리학자 등이 AIP Advances(2021. 10. 12) 지에 "지구 공장: 지구 하부 맨틀에서 핵 변환으로 인한 원소들의 생성"이라는 제목으로 게재됐다. 지구 공장? 아마도 원소들은 핵반응에 필요한 조건을 제공하기에 충분한 열과 압력이 있는 곳이라면, 어디에서나 생성될 수 있을 것이다. 그것은 별의 내부일 수도 있고, 지구의 내부일 수도 있다. 그곳은 ≥2510 켈빈 온도와 ≥58 기가파스칼의 압력이 존재할 것으로 추측된다. 요약 글은 다음과 같이 설명한다.

원소들은 오직 별 내부에서만 형성되는가?

항성 핵합성(Stellar nucleosynthesis)은 우주의 모든 원소들의 기원에 대해 널리 알려진 이론이다. 전통적으로, 거대한 질량의 별이 가벼운 원소들을 철(iron)보다 가벼운 중원소들로 변환시켰다고 말한다. 여기에서 우리는 철보다 적은 원자번호의 25개 원소들의 형성은 높은 온도와 압력의 지구 하부 맨틀의 자연적 복합격자 코어에 갇혀있던 두 핵의 내열적 핵변환에서 비롯되었다고 제안한다. 이 과정은 중성미자(neutrinos)의 생성을 동반하며, 초대륙의 진화, 소행성 충돌로 촉발된 맨틀 대류, 지구 중심부의 핵융합 동안에 스틱-슬라이딩(stick-sliding)에 의해 생성된 들뜬 전자에 의해 영향을 받는다. 따라서, 우리의 연구는 지구 자체가 핵변환(nuclear transmutation)을 통해 가벼운 원소들을 만들어낼 수 있었다는 것을 제시한다.

과학 혁명이 진행 중?

어느 누구도 적절한 토론과 시험 없이 새로운 이론에 뛰어들어서는 안 된다. 그러나 중요한 점은 오랫동안 매우 잘 받아들여진 이론도 결코 도전으로부터 면제되지 않는다는 것이다. 과거의 주요한 과학 혁명을 생각해 보라. 과학자들은 진실에 도달했다고 결코 자만해서는 안 된다. 역사는 우리에게 과학적 '진리'가 기껏해야 잠정적이라는 것을 상기시켜 준다.

주 저자인 미키오 후쿠하라(Mikio Fukuhara)는 이전에 질소, 산소, 물의 지구 기원을 제안한 바 있다. 현재 그와 동료들은 그 이론을 철(원자번호 26)까지의 가벼운 원소들로 확장했다. 이 정도 크기의 패러다임 변화가 시사하는 바는 중차대하다.

"이것이 사실이라면, 이것은 혁명적 발견이다. 왜냐하면 이전에는 모든 원소들은 초신성 폭발에서 비롯되었다고 이론화되었기 때문이다. 그래서 우리는 추가 이론을 가정하고 있다"고 후쿠하라는 말했다.

이 연구는 지구물리학 분야에 상당한 영향을 미칠 것이며, 그 결과 "미래 우주 개발에 필요한 원소들을 확보할 수 있는 가능성에 대한 연구 방향을 제시할 것"이라고 후쿠하라는 말했다.

이 이론에 함축된 의미

한 가지는 행성의 원소들은 초신성 폭발로 원소 조각들이 공급되기보다, 국지적으로 얻어지는 것이 더 쉬워 보인다. 그것은 기존 이론에서 항상 걸림돌이었다. 현재 지구 및 다른 암석질 행성에 존재하는 중원소 비율을 맞추기 위해서는, 초기 태양 주위를 돌았다는 행성 원반에 초신성 폭발로 막대한 량의 중원소들이 운반되어와 혼합되어야 한다.

두 번째 함의는 핵합성이 불가능하다고 생각되었던 갈색왜성과 외계행성은 말할 것도 없고, 목성, 토성, 그리고 태양계의 많은 다른 천체들 안에서 원소가 형성될 수 있을 것이다. 이것은 초신성이 무거운 중원소를 공급하지 않는다는 것을 의미하지는 않는다. 그것은 단지 그것이 유일한 원천이 아닐 수도 있다는 것을 의미한다.

저자들이 제기한 또 다른 함축적 의미는, 지구가 초기 풍부함에 의존하지 않고도 (지구 내부로부터) 대기 중으로 중요한 원소들을 꾸준히 공급할 수 있었으며, 그 중 일부는 지속적으로 우주로 탈출하고 있었다는 것이다. 그것은 이러한 원소들이 소행성의 충돌에 의해 보충되었을 것이라는 이론에 의문을 제기한다.

지난 25억 년 동안의 소행성 충돌을 고려하더라도, 전체 소행성 질량의 합계는 10^16㎏을 넘을 수 없다. 한편, 최근 연구에 따르면, 지구상의 질소, 비활성 기체, 산소는 태양풍을 통해 달로 운반되고 있다. 이는 대기 질량이 우주로 지속적으로 분산되고 있으며, 따라서 우리 대기는 지구 내부에서 이러한 가스들을 지속적으로 재공급하지 않고는, 지구상의 생명체를 지탱하는 데 필요한 압력을 유지할 수 없음을 시사한다.

새로운 이론이 작동되기 위해서는, 맨틀에서 원소를 지각과 대기로 운반하는 메커니즘이 필요하다. 저자들은 판구조론(Plate tectonics)이 그러한 일을 했을 것이라고 생각한다. 판구조는 섭입판 아래에서 형성된 원소들을 지표면으로 밀어낼 수 있다.

대담한 새로운 아이디어는 과학에 도움이 될 수 있다.

저자들은 새로운 모델에 대한 관측 테스트를 제안하고 있고, 예측하고 있다. 그들은 또한 그 이론을 확장하는 작업을 하고 있다. "철보다 무거운 원소의 형성은 향후 논문에서 설명될 것이다"라고 그들은 약속하고 있다. 우리의 발밑이 희토류 원소들과 생물학적으로 중요한 원소들의 원천이 될 수 있었던 곳일까? 그것은 대담한 제안이다. 그것은 미래의 우주선 엔지니어들이 초신성 운반 열차를 기다릴 필요 없이, 필요한 원소들을 찾거나 생산하는 데 도움을 줄 수도 있다. "이 연구는 지구물리학 분야에 큰 영향을 미칠 것이고, 그 결과 미래의 우주 개발에 필요한 원소들의 확보를 위한 가능성 있는 연구 방향을 제시할 것이다"라고 그들은 결론짓고 있었다. 좋은 한 이론은 더 많은 연구들을 낳는다.

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아직 이 제안을 어떻게 생각해야 할지 모르겠지만, 진부한 이론에 도전하는 과감한 새로운 사고를 보는 것은 고무적이다. 새로운 모델을 뒷받침하기 위해서는 테스트와 관측이 필요할 것이다. 관측은 기존 이론을 폐기시킬 수도 있다. 그리고 이 새로운 이론이 물리학자들의 지지를 받게 된다면, 지구에서 발견되는 풍부한 원소들이 초신성 폭발로부터 공급되는 데에 수십억 년이 걸렸을 것이라는 오래된 연대론자들의 주장도 힘을 잃을 것이다. 또한 지적설계 옹호자들은 우리의 특별한 행성이 생명체가 살아가기에 필요한 원소들을 공급하기 위한 메커니즘을 갖고 설계되었다는 추가적인 증거를 발견하게 되는 것이다. 그것은 지적설계의 특징인 통찰력(선견지명)을 가리킨다.

몇몇 창조과학자들은 또한 기존 이론에 도전하는 대담한 이론들을 제시했다. 예를 들어, 월트 브라운(Walt Brown)은 지각 방사선(radioactivity in the crust)은 큰 깊음의 샘들이 터져나온(창 7:11) 노아 홍수 동안 기원했다는 이론을 제시하고 있다. 만약 그렇다면, 암을 유발하는 해로운 방사선이 원래의 "보시기에 좋았던" 창조물의 일부가 아니었음을 보여줄 수 있다. 엄밀한 수학과 관측적 증거로 변론할 수 있다면, 대안 이론을 갖고 있는 것은 좋다. 그것들은 진부한 과학적 합의를 깨트릴 수 있고, 좋은 과학의 특징인 격렬한 논쟁을 자극할 수 있다. 그래서 이 새로운 이론이 수용되지 않는다 하더라도, 독자들은 물리학과 같은 견고한 과학도 여전히 새로운 개념이 생겨날 수 있다는 것을 알 필요가 있는 것이다.

*참조 : 지구의 중원소들은 초신성에서 왔는가? : 무거운 원소들의 기원은 신념의 문제이다

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