[아하! 우주] 블랙홀은 우주의 연금술사?…“금 만들수 있다”

금이나 우라늄과 같이 무거운 원소(이하 중원소)는 초신성 폭발이나 중성자별 간의 충돌로 생기는 커다란 에너지에 의해 생성된다. 그런데 이런 원소는 갓 태어난 블랙홀로 빨려 들어가는 가스나 먼지로 된 강착원반 속에서도 만들어지고 있을 가능성이 있다는 연구 결과가 나왔다. 이는 블랙홀이 우주의 연금술사일 수도 있다는 점을 시사하는 것.

빅뱅(대폭발) 이후 초기 우주에는 떠다니는 요소가 많지 않았다. 별들이 태어나고 그 중심부에서 원자핵 간의 충돌이 일어나기 전까지 우주는 대부분 수소와 헬륨으로 이뤄진 수프 같은 상태였다. 별의 핵융합은 우주에 탄소부터 철까지 무거운 원소를 불어넣는 원인이 됐다.

하지만 철이 만들어질 때는 약간의 문제가 발생한다. 핵융합을 통해 철을 생성하는 데 필요한 열과 에너지가 그 과정에서 발생하는 에너지를 넘어서 중심핵의 온도를 떨어뜨려 별의 죽음을 초래하는 데 그것이 바로 초신성 폭발이다.

초신성 폭발은 별에는 죽음을 뜻하지만, 그 안에서 탄생하는 것도 있다. 폭발의 에너지는 거대해서 원자는 충돌하며 서로의 중성자를 잇달아 포획한다. 이에 따라 금이나 우라늄과 같이 철보다 무거운 원소가 형성되는 것이다.

다만 이 과정은 빠르게 진행돼야만 한다. 그렇지 않으면 원자핵에 중성자가 붙기 전 방사성 붕괴가 일어난다. 따라서 이는 알과정(r-process)이라고도 부르는데 여기서 알은 빠름(rapid)을 뜻한다.

알과정은 초신성 폭발이나 중성자별 간의 충돌에 의해 일어나는 것으로 생각된다. 그 이외의 상황에서 알과정이 일어날지 어떨지는 지금까지 알 수 없었다. 다만 그 유력한 후보로 꼽히고 있는 것이 갓 태어난 블랙홀이라는 것이다.

예를 들어 중성자별들이 충돌할 때 그 질량이 블랙홀을 형성할 만큼 충분하면 알과정이 일어날 수 있다. 커다란 질량의 별이 자신의 중력으로 붕괴해 블랙홀화하는 사례에서도 마찬가지다.

두 경우 모두 갓 태어난 블랙홀은 거기에 흡입되는 물질의 소용돌이(강착원반)에 의해 둘러싸인다. 거기에는 대량의 중성미자(전기적으로 중성이며 질량이 0에 가까운, 경입자족에 속하는 소립자)가 방출돼 그 결과로 알과정에 의한 중원소의 형성이 일어나고 있을 가능성이 있는 것이다. ‘영국 왕립천문학회 월간보고’(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society) 10월8일자에 게재된 이번 연구에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이 같은 가설이 검증됐다.

독일 중이온연구소(GSI) 등 국제연구진은 블랙홀의 질량이나 스핀 등 다양한 매개변수를 조정하면서 방대한 수의 시뮬레이션을 시행했다. 그 결과, 조건에 따라 갓 태어난 블랙홀에서도 알과정이 일어나는 것으로 확인됐다.

이에 대해 연구 주저자로 GSI의 천체물리학자인 올리버 저스트 박사는 “결정적인 요인은 강착원반의 총 질량에 있다”면서 “강착원반의 질량이 클수록 중성미자의 방출로 전자가 포획돼 양성자로부터 중성자가 형성되기 쉬워진다”고 설명했다. 그만큼 알과정에서 중원소 재료가 되는 중성자가 늘어난다는 것이다.

다만 강착원반의 질량이 너무 크면 역반응이 증가해 중성미자가 원반을 떠나기 전 중성자가 그것을 포획해 버린다. 그러면 중성자가 양성자로 돌아가 알과정을 방해하는 것이라고 저스트 박사는 덧붙였다.

연구진에 따르면, 블랙홀 주위에서 중원소가 가장 활발하게 생성되는 조건은 강착원반의 질량이 태양의 1~10%일 때다. 그때 블랙홀은 이른바 중원소 공장이 되는 것이다.

다만 이런 질량을 지닌 강착원반이 우주에서 얼마나 일반적인지, 지금은 알 수 없다. 이 현상을 밝혀내기에는 데이터가 여전히 부족하기 때문이다. 하지만 현재 독일에서 건설 중인 차세대 입자가속기인 ‘중이온-반양성자 가속기 시설’(FAIR)이 완공돼 임무를 시작하면 더욱더 정밀한 연구를 할 수 있을 것이라고 연구 공동저자로 GSI의 천체물리학자 안드레아스 바우스와인 박사는 기대감을 드러냈다.

윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr