안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
우주 공간의 수많은 별들과 태양 내부에서 엄청난 양의 빛과 열에너지가 수십억 년 동안 끊임없이 방출되는 근본적인 이유는 바로 핵융합 반응 때문입니다.
태양을 비롯한 별들은 거대한 양의 수소 가스가 중력에 의해 중심부로 뭉치면서 형성됩니다. 이 강력한 중력으로 인해 별의 중심부는 상상을 초월하는 초고온과 초고압 상태가 됩니다. 태양 중심부의 경우 온도가 약 1,500만 도에 달하며, 압력은 지구 대기압의 수천억 배에 이릅니다.
이러한 극한의 환경에서는 수소 원자핵들이 서로 밀어내는 전기적인 척력을 이겨내고 충돌하여 더 무거운 원소인 헬륨 원자핵으로 합쳐지는데, 이를 핵융합이라고 합니다.
이 과정에서 에너지가 발생하는 핵심 원리는 질량 결손에 있습니다. 수소 원자핵 4개가 합쳐져 1개의 헬륨 원자핵을 만들 때, 반응 후의 헬륨 질량은 반응 전 수소 원자핵들의 총질량보다 아주 미세하게 줄어듭니다. 아인슈타인의 특수상대성이론을 나타내는 질량-에너지 등가 공식에 따르면, 이 사라진 아주 작은 양의 질량이 막대한 양의 에너지로 전환됩니다.
별의 중심부에서는 매초 엄청난 양의 수소가 헬륨으로 바뀌며 이 에너지를 쏟아냅니다. 생성된 에너지는 전자기파의 형태로 별의 내부를 거쳐 표면으로 전달된 뒤, 우주 공간으로 빛과 열의 형태로 사방에 방출됩니다. 별은 내부에 머금고 있는 수소 연료의 양이 워낙 방대하기 때문에, 이 핵융합 반응을 수십억 년에서 수백억 년 동안 안정적으로 유지하며 끊임없이 빛을 낼 수 있습니다.