별과 원자 - 별빛을 이해하는 순간 현대물리학이 시작되었다

별을 연구하던 인간은 왜

시간과 공간을 다시 생각하게 되었을까?

 

현대 물리학이 막 탄생하던 시대, 우주와 원자가 하나의 문제로 연결되기 시작한 순간을 담아낸 아서 에딩턴의 대표작이다. 에딩턴은 별빛 속에 숨어 있는 단서를 따라가며, 상대성이론과 양자론, 별의 에너지와 백색왜성과 우주의 구조에 이르기까지 현대과학의 가장 거대한 전환을 특유의 명료하고 우아한 문체로 풀어낸다.

이 책의 진정한 매력은 단순한 과학 지식의 전달에 있지 않다. 에딩턴은 현대과학이 인간의 상식과 세계관을 어떻게 뒤흔들었는지를 보여준다. 인간은 별을 이해하려다 결국 원자에 도달했고, 원자를 연구하다 다시 우주의 구조를 바라보게 되었다. 가장 거대한 것과 가장 작은 것이 하나로 이어지는 순간, 현대 우주의 새로운 풍경이 눈앞에 펼쳐진다.

[목 차]

● 서문 08

 

제1장 항성의 내부 … 11

 

태양 내부의 온도 … 16

원자의 이온화 … 25

복사 압력과 질량 … 38

별의 내부 … 41

항성 물질의 불투명도 … 44

밝기와 질량의 관계 … 49

밀집된 별들 … 55

 

제2장 최근의 몇 가지 연구들 … 65

 

알골의 이야기 … 66

시리우스의 동반성 이야기 … 75

미지의 원자와 스펙트럼의 해석 … 83

스펙트럼 계열 … 92

우주 속의 구름 … 98

태양의 채층 … 108

베텔게우스 이야기 … 119

 

제3장 별의 나이 … 133

 

맥동성(脈動性) 별 … 135

세페이드 변광성의 ‘표준 촛불’로서의 역할 … 141

수축 가설 … 146

아원자 에너지 … 153

별의 진화 … 163

질량의 복사 … 172

 

✧ 부록

시리우스의 동반성에 관한 추가 설명 … 188

[본 문]

우리가 별의 내부로 잠수하는 목적은, 일상의 경험을 초월한 기묘한 세계를 감상하기 위해서만은 아니다. 우리의 목표는 별들이 그러한 방식으로 행동하게 만드는 내부의 작동 장치를 밝혀내는 데 있다. 표면에서 나타나는 현상을 이해하려면 다시 말해 ‘별마다 영광이 서로 다르다’는 사실을 이해하려면, 우리는 반드시 그 아래로 내려가야 한다. 곧 기관실로 들어가, 표면을 통해 쏟아져 나오는 열과 에너지의 흐름이 어디에서 시작되었는지를 추적해야 한다.(33쪽)

 

우리는 별의 내부가 어떤 모습일지 어느 정도 그려볼 수 있다. 그곳은 원자와 전자, 그리고 에테르 파동이 뒤엉켜 소용돌이치는 아수라장이다. 흐트러진 원자들은 초당 100마일의 속도로 질주하며, 그 과정에서 본래 둘러차고 있던 전자 배열은 난투 속에서 찢겨 나간다. 떨어져 나온 전자들은 새로운 안식처를 찾기 위해 그보다 100배 빠른 속도로 달려간다. 그중 하나의 여정을 따라가 보자(41쪽)

 

천문학은 다른 많은 과학들과 달리, 연구 대상에 직접 손을 대거나 탐침을 꽂아볼 수 없다. 우리는 수동적으로 기다리며, 그들이 보내오는 신호를 받아 해독할 수밖에 없다. 별에 관한 우리의 모든 정보는 빛의 광선을 따라 우리에게 도달한다.(67쪽)

 

어떤 별들은 마치 등대의 간헐적 불빛처럼, 규칙적인 점과 선의 연속적으로 보내오는 듯 보인다. 물론 이를 모르스 부호처럼 번역할 수는 없지만, 정밀한 측정을 통해 우리는 그 메시지들 속에서 많은 정보를 끄집어낼 수 있다. 알골(Algol)은 이러한 ‘변광성’ 가운데서 가장 유명한 별이다.(67쪽)

 

가장 차가운 별에서 뜨거운 별들의 계열을 따라가다 보면 칼슘 원자가 처음에는 온전한 상태로 있다가, 다음에는 한번 이온화되고, 그 다음에는 두 번 이온화되는 과정을 추적할 수 있다. 이는 온도가 높아질수록 충돌과 파괴 작용이 더욱 격렬해진다는 신호다.(88쪽)

 

우리는 공간의 규모로 보았을 때 인간이 원자와 별의 중간쯤에 해당하는 존재라는 사실을 살펴보았다. 시간의 규모에 대해서도 비슷한 비교를 해보고 싶다. 인간의 수명은 들뜬 상태의 원자와 별의 수명 사이에서 대략 중간쯤에 놓여 있다고 말할 수 있다.(134쪽)

 

알골이 서로 매우 가까이 붙어 있어 때때로 서로를 가리는 두 개의 별로 밝혀진 것과 달리, 델타 세페이는 스스로 맥동하는 하나의 별이다. 그것은 하나의 구체로서 약 5⅓일의 일정한 주기로 대칭적으로 부풀었다가 수축한다. 그리고 이처럼 별이 팽창하고 수축하면서 내부의 압력과 온도가 크게 변하면, 그에 따라 밖으로 쏟아져 나오는 빛도 세기가 강해졌다 약해졌다 할 뿐 아니라, 성질과 색깔 또한 함께 변한다.(136쪽)

 

델타 세페이의 밝기 변화 주기가 하나의 별에 고유한 자유 주기라는 사실을 확인했으므로, 우리는 그것을 마치 특정한 음이 어떤 음차에 고유한 것과 같은 방식으로 그 별에 속한 것으로 받아들일 수 있다. 따라서 그것은 그 별의 물리적 상태가 일정한지, 혹은 변화하고 있는 지를 알려주는 유용한 지표가 된다.(138쪽)

 

맨눈으로도 안도르메다 성운은 희미한 빛의 얼룩처럼 보인다. 그것을 바라볼 때 우리는 90만년 전의 과거를 보고 있는 것이다.(146쪽)