효율적인 수소 핵융합

태양은 우리 생존에 필요한 에너지를 공급하고 있다. 지구가 생명체가 살아가는 데 필요한 액체 상태의 물을 유지하기 위해서는 태양으로부터 계속 에너지를 공급받아야 한다. 지구상에서 이루어지는 모든 먹이사슬의 기초가 되는 태양 에너지가 없다면 우리는 존재할 수 없다. 그러나 태양은 에너지를 생산하는 데 매우 비효율적이다. 태양이 1cm의 부피에서 매초 생산하는 에너지는 우리 몸이 방출하는 에너지보다 적지만 지구 생태계를 유지하기에 충분한 에너지를 지구에 공급하고 있다.

효율적인 수소 핵융합

태양의 깊은 곳에 있는 태양 핵에서는 가벼운 원자핵이 무거운 원자핵으로 바뀌는 핵융합 반응이 일어나고 있다. 핵융합 반응에는 여러 종류의 반응이 있다. 태양의 핵에서는 양성자-양성자 체인에 의해 핵융합 반응이 일어나고 있다. 양성자 양성자 체인이라는 말에서 짐작할 수 있는 것처럼 이 핵융합 과정은 양전하를 띤 두 개의 양성자에서 시작된다. 양전하를 띠고 있는 양성자들은 전기적인 반발력에 의해 서로를 밀어낸다. 그러나 태양 내부의 온도와 압력은 매우 높다. 태양 핵의
밀도는 납의 밀도보다 10배나 더 높다. 이런 조건에서는 양성자들이강한 핵력이 작용할 수 있는 거리까지 다가갈 수 있다. 그렇게 되면 두양 성자 중 하나가 중성자로 변환해 중수소 핵을 만든다. 여기에 또 다른 양성자가 결합하면 헬륨-3 원자핵이 되고 두 개의 헬륨-3 원자핵이 결합하여 양성자 - 양성자 체인의 마지막 생성물인 헬륨-4가 만들어진다.

1. 태양빛 400만톤

그러나 핵융합 반응에 참여하는 물질과 생성물의 질량 사이에 차이가 나게 된다. 매초 생성되는 헬륨-4의 질량은 반응에 참여한 양성자의 질량보다 400만 톤 적다. 아인슈타인은 질량과 에너지는 E=mc2 식에 의해 서로 전환할 수 있다는 것을 밝혀냈다. '사라진 400만 톤'의 질량은 에너지로 전환되어 지구에 에너지를 공급하는 빛이 되는 것이다.

매초 400만 톤의 질량이 에너지로 변한다는 것은 엄청난 양처럼 보이지만 반응에 참여하는 전체 질량에 비하면 아주 적다. 태양에서는 매초 약 6억 2000만 톤의 수소(3.7×108개의 수소 원자)가 6억 1600만 톤의 헬륨으로 바뀌고 있다. 이 중 400만 톤만 에너지로 바뀐다. 따라서 태양의 에너지 효율은 매우 낮아 0.007, 즉 0.7%다. 그럼에도 불구하고 태양이 방출하는 에너지의 양이 엄청난 것은 태양의 크기 때문이다.

태양이 연료를 소모하는 비율을 이용하여 천체물리학자들은 태양에서의 핵융합 반응이 얼마나 오랫동안 계속될 것인지를 계산할 수 있다.이에 따르면, 태양은 앞으로도 50억 년 동안은 더 핵융합 반응을 할 수 있을 것이다. 수소 핵융합 과정이 끝나면 태양의 핵은 더 이상 중력에 의한 압력을 견딜 수 없어 중력 붕괴를 시작할 것이다. 중력 붕괴가 일어나면 핵의 온도가 헬륨 원자핵의 핵융합이 가능해지는 온도까지 올라갈 것이다. 그렇게 되면 세 개의 헬륨 원자핵이 관여하는 '삼중 알파 과정'을 통해 헬륨 원자핵은 탄소와 산소 원자핵을 합성할 것이다. 이 과정에서 양성자-양성자 체인에서보다 더 많은 에너지가 방출되어 바깥쪽을 향한 압력이 커지면 태양은 적색거성으로 부풀면서 그동안 에너지를 공급해 생명체의 보금자리로 만들었던 지구마저 삼켜버릴 것이다.

수성 근일점의 이동

수성 근일점의 이동