우주에서 철은 어떻게 만들어질까?

태양은 대부분 수소로 이루어진 기체입니다. 우리에게 따뜻한 열과 빛을 보내주는 것은 바로 이 수소가 결합해서 생긴 에너지입니다. 그런데 이 태양에서는 우리에게 가장 중요한 원소들이 만들어진다고 하는데 왜 그런 걸까요?

그것을 알기 위해서는 우리 태양계가 어떻게 만들어졌는가를 알아야 합니다. 우리 태양계가 있기 전에 얼마 떨어지지 않은 곳에 우리의 태양보다 수백 배 이상 큰 별이 있었습니다. 그런데 이 별은 너무 커서 자신을 태울 연료를 빠른 속도로 소모해 버립니다. 연료를 태운다니 무슨 말이냐고요? 이것은 약간 어려운 말로 핵융합이라고 합니다. 태양이 빛나는 것은 태양을 이루고 있는 수소 원자 4개가 하나로 융합하면서 헬륨이란 원소로 바뀝니다. 그런데 이 헬륨의 무게는 수소 원자 4개를 합한 무게보다 약간 작습니다. 이상하죠? 수소 원자 4개가 모여 하나의 헬륨으로 되었다면 무게가 같아야 하는데 말이죠. 그럼 그 모자란 무게만큼은 어디로 사라졌을까요? 답은 우리가 태양으로부터 받은 빛과 열입니다. 그 모자란 무게만큼 에너지로 변한 것이죠. 이런 핵융합 과정을 통해 태양은 빛나게 됩니다. 하지만 언제까지나 그렇게 빛날 수는 없습니다. 우리 인간에게도 수명이 있듯이 태양에게도 수명이 있습니다. 우리의 태양은 대략 50억 살인데 우리 태양보다 수백 배 큰 태양은 그보다 수명이 훨씬 짧습니다. 이는 우리가 장작을 지필 때를 상상해보면 쉽게 알 수 있습니다. 만약 열을 약하게 해서 나무를 서서히 때면 오랫동안 태울 수 있습니다. 하지만 장작을 한꺼번에 넣고 열을 높이면 장작은 금방 동이 납니다. 태양에서도 이와 같은 일이 벌어집니다. 우리 태양보다 큰 별은 수소를 한꺼번에 태워 연료가 쉽게 동이 나버립니다. 그럼 다음엔 어떻게 될까요? 이제 수소가 없으니 헬륨을 태웁니다. 이 헬륨은 서로 융합해 보다 무거운 원소들인 탄소와 산소 같은 원소들을 만듭니다. 이때가 되면 별은 수명을 다해 죽어가는 별이 됩니다. 그리고 별의 가장 안쪽에는 그 별에서 만들 수 있는 가장 무거운 원소인 철까지 만들어집니다. 아마 죽음을 앞둔 별을 잘라본다면 가장 안쪽에는 철이 들어 있고, 그 바깥으로 점점 가벼운 원소들이 위치할 것입니다. 마침내 더이상 빛을 낼 수 없는 별은 큰 폭발을 합니다. 우리가 초신성 폭발이라고 부르는 것입니다. 이 폭발로 아주 무거운 별은 블랙홀을 만들기도 합니다. 그럼 폭발로 날아간 파편은 어떻게 될까요? 그 파편과 먼지들이 모여 만들어진 것이 바로 우리 태양계입니다. 우리 태양계에서 가장 먼저 만들어지는 것은 태양입니다. 이 태양이 모여 빛을 발할 만큼 커지면 태양으로부터 태양 폭풍이 만들어지고 그 폭풍이 주변의 가스들은 멀리 보내 목성과 토성, 천왕성, 화성이 됩니다. 암석으로 된 행성이지요. 덕분에 우리의 지구에서는 철과 같은 무거운 원소들이 많은 것입니다.

◎ 문명을 발전시킨 철의 발견

철이 없었다면 어떻게 되었을까요? 현재 우리가 사용하는 일상 용품, 건물, 다리 등에 철을 이용한 것들이 많습니다. 사실 철이 생산되기 전에는 농기구도 돌이나 나무로 만들었으며, 주택이나 생활용품도 자연에서 얻은 것들을 적절히 가공해서 사용했습니다. 사냥할 때 사용한 무기도 돌로 만든 칼이나 화살촉, 나무로 된 창을 사용했습니다. 무겁기도 하고 쉽게 깨지거나 부러져 매우 불편했을 것입니다. 그래서 인류가 갖게 된 수많은 기술 중에서도 금속을 사용하기 시작한 것은 재료 면에서 아주 중요한 사건이라 할 수 있습니다. 금속은 돌에 비해 가공하기도 쉽고, 강한 충격을 가해도 나무처럼 부러지거나 돌처럼 깨지지 않는 장점을 가지고 있습니다. 따라서 금속으로 된 무기나 농기구를 사용한 부족은 다른 어떤 무리보다도 강한 부족으로 성장할 수 있었고, 그것을 밑받침으로 삼아 점차 국가로 발전해 나갔답니다. 처음 금속을 발견했을 때와 비교해보면 현대의 인류는 수많은 금속을 이용하고 있습니다. 하지만 초기에는 청동과 철이 금속의 전부였습니다. 이것은 인류의 시대가 구석기, 신석기, 청동기, 철기로 나누어진다는 점에서도 잘 알 수 있습니다. 처음으로 금속을 다루게 된 청동기 시대는 기원전 3000년경부터 시작되었고, 무른 청동기의 단점을 탈피하여 더욱 강한 철을 주된 금속으로 사용하게 된 철기 시대는 기원전 500년경부터 시작되었답니다. 20세기 이후 플라스틱이나 세라믹과 같은 새로운 소재를 개발해 다양하게 활용하고 있지만, 철과 같은 금속이 가진 능력을 대신하지는 못합니다. 만약 자연에서 발견한 금속을 단순히 단단한 돌 정도로만 생각했다면 인류의 삶은 바뀌지 않았을 것입니다. 어느 날 발견한 단단한 금속을 보고 자신이 가진 무기나 도구보다 더 강한 것을 만들 수 있지 않을까 하는 생각이 위대한 발견으로 이어지게 된 것입니다. 자연에서 청동을 발견하여 이를 다루는 방법을 개발하면서부터 인간은 처음으로 금속으로 만들어진 물건을 갖게 됩니다. 그러나 금속으로 처음부터 농기구나 생활용품을 만드는 것은 아닙니다. 금속이 귀하고 다루기 어려웠기 때문에 무기를 만드는 데 주로 이용되었고, 일부 특정 지배층을 위한 장식물로 사용되었습니다. 그러다가 점차 그 활용 범위가 넓어져 더 많은 금속을 생산하기 위해 금속만을 전문으로 다루는 사람이 필요하게 되었고, 그 후로 이를 다룰 수 있는 사람이 대를 이어 기술을 물려받게 되면서 청동기 시대부터 장인 계층이 형성되기 시작하였답니다. 청동은 희귀한 금속이었고 무기 외에 다른 물건을 만들기에는 턱없이 부족하자 인간은 새로운 금속을 찾아 나섰습니다. 그러다가 발견한 새로운 금속이 바로 철입니다. 철은 매장량이 풍부하고 가격도 저렴했기 때문에 청동보다 폭넓게 사용되었습니다. 철기 시대에 접어들면서는 일부 특정 계층뿐만 아니라 평범한 농부들도 금속으로 된 농기구를 마련할 수 있었습니다. 철이 우리의 생활 속에 깊이 자리잡고 현대까지 이어지고 있는 것도 바로 그러한 이유 때문입니다.