별 내부에서 무거운 원소가 만들어지기 어려운 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 별 내부에서 철보다 무거운 원소가 만들어지기 어려운 이유는 무엇이며, 초신성 폭발에서 이 한계가 어떻게 극복될 수 있는 것인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 별 내부에서 철보다 무거운 원소가 잘 만들어지지 않는 이유는 다음과 같습니다. 우선 원자핵의 안정성은 핵자당 결합에너지로 설명할 수 있는데요, ⁵⁶Fe은 가장 안정한 원자핵 중 하나로, 핵자당 결합에너지가 약 8.8 MeV로 최대에 해당합니다. 따라서 철보다 가벼운 원소인 수소~규소는 핵융합을 통해 더 안정한 핵으로 바뀌면서 에너지를 방출할 수 있고, 반면에 철보다 무거운 원소를 만들기 위해서는 오히려 에너지를 흡수해야 하므로, 별 내부의 정상적인 핵융합 과정에서는 이러한 반응이 자발적으로 진행되지 않습니다. 즉, 별의 중심에서 철이 쌓이면 더 이상 에너지 방출원으로서의 핵융합은 정지하게 됩니다. 따라서 철 이후의 원소는 정상적인 별의 핵융합 과정에서는 생성될 수 없으므로, 극한의 환경이 필요한데요, 이 환경을 제공하는 것이 바로 초신성 폭발입니다. 중심핵이 붕괴하면서 엄청난 온도와 압력, 그리고 강력한 중성자 플럭스가 발생하는데요, 이때 쏟아져 나오는 중성자는 전기적 반발 없이 핵에 쉽게 붙을 수 있어, 원자핵이 빠르게 무거워질 수 있습니다. 감사합니다.
안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
별은 중심에서 수소를 헬륨으로, 헬륨을 탄소·산소 등으로 융합하며 에너지를 방출합니다. 이 에너지가 별을 빛나게 하고 중력 붕괴를 막아줍니다. 철은 안정적인 원소이기 때문에 핵융합으로 더 이상 에너지를 방출하지 않고 오히려 흡수합니다. 즉, 철을 융합하려면 막대한 에너지가 필요합니다. 따라서 별 내부에서는 철보다 무거운 원소를 만들 수 없습니다.
따라서, 철이 중심에 쌓이면 별은 자체 중력을 견디지 못하고 붕괴합니다. 이때 엄청난 압력과 온도가 발생하며 초신성 폭발이 일어납니다. 폭발 과정에서 중성자가 대량으로 방출되며, 원자핵이 빠르게 중성자를 흡수해 철보다 무거운 원소인금, 우라늄 등이 생성됩니다.
장도연이 추천하는 아하!
앱으로 편리하게 사용해 보세요.