​별들은 무엇으로 이루어져 있을까?

[박원서]

​별들은 무엇으로 이루어져 있을까?

별들은 무엇으로 이루어져 있을까?

©Shutterstock

수천 년 동안 인류는 매혹적인 밤하늘을 올려다보며 

광활한 바다를 항해하고 계절의 흐름을 표시하며 

신화와 예술, 시에 영감을 불어넣어 왔다. 

밤하늘에 흩어져 있는 이 천체들은 신비로우면서도 

일정해 보였지만, 그 본질은 이해할 수 없었다. 

많은 과학자와 천문학자들이 오랜 시간 동안

 천체의 본질을 이론화했으며, 1900년대 초에는 

뛰어난 젊은 대학원생에 의해 많은 것이 밝혀졌다.
한 세기 전의 과학자들은 별에 대해

어떤 믿음을 가지고 있었을까?

 이 천체들은 무엇으로 만들어졌을까? 

24세의 대학원생은 별빛의 비밀을 어떻게 밝혀냈을까?

 이 갤러리에서 알아보자.

새로운 장

©Shutterstock

수천 년 동안 별은 항해와 신화에 대한 영감,

 경이로움의 원천으로 사용되어 왔다. 하지만

 1925년 세실리아 페인이라는 대학원생이 

발견한 획기적인 발견으로 

하늘에서 반짝이는 빛의 실체가 밝혀졌다.

천문학의 선구자

©Public Domain

페인은 24세의 나이에 혁신적인 사고를 통해 우주를

 이해하는 방식을 재구성한 천재적인 젊은 과학자였다. 

페인의 연구는 오랫동안 확립된 아이디어에 도전하며 

천체물리학 연구의 중요한 단계가 되었다.

의견 차이

©Shutterstock

당시 많은 과학자들은 별(태양 포함)이 지구와 

유사한 중금속으로 만들어졌다고 믿었지만, 

페인은 별의 화학적 구성이 완전히 다르다고 믿었다.

 그녀는 별의 주요 원소가 수소와 헬륨이라고 주장했다.

 하지만 그녀는 어떻게 이를 증명할 수 있었을까?

과학계의 장벽

©Getty Images

당시의 교리에 반하는 다른 과학적 가설들과 마찬가지로 

페인의 연구도 상당한 회의에 직면했다. 하지만 

남성 중심의 천문학 분야에서 젊은 여성이었던 그녀는 

이러한 긴장감을 더욱 느낄 수 밖에 없었다.

인류의 첫 도약

©Getty Images

1600년대에 인류는 별을 더 가까이서 

관측할 수 있는 망원경을 만들기 시작했다. 

그 결과 이러한 빛에 대해 많은 관측이 이루어졌으며, 

구름처럼 ' 성운'으로 뭉치는 경향이 있다는 사실도 밝혀냈다.

산란되는 빛

©Shutterstock

1800년대까지 사람들은 분광학에 들어오는 햇빛을 

무지개색으로 퍼뜨리는 프리즘을 사용하기 시작했다. 

나중에 천문학자들은 별빛을 기록하고 분석하기 위해 

이러한 프리즘을 망원경에 넣었다.

새로운 문을 열다

©Getty Images

19세기 분광학의 발명으로 과학자들은 

별빛을 서로 다른 색으로 분해한 다음 

에멀젼으로 코팅된 사진 유리판에 

상호작용하도록 할 수 있게 되었다. 

빛의 광자가 에멀젼에 닿으면 어두운 자국이 나타난다. 

이는 기본적으로 멀리 떨어진 별이라는 표시이다.

새로운 발명

©Getty Images

천문학자들은 망원경에 프리즘을 배치함으로써 

별의 화학적 구성을 암시하는 패턴을 밝혀냈지만, 

여전히 많은 사람들은 별이 지구의 원소 구성과 

동일하다고 믿었다.

초기의 오해

©Getty Images

1800년대에 과학자들은 에멀젼 판의 스펙트럼 패턴이 

지구와 유사했기 때문에 별이 지구와 동일한 물질을 

포함하고 있다고 가정했다. 페인의 연구가 

별에 수소와 헬륨이 압도적으로 풍부하다는 것을

 증명할 때까지 이러한 믿음은 계속되었다.

세실리아 페인

©Shutterstock

1900년 5월 10일 영국 웬도버에서 태어난 세실리아 페인은 

10대 시절 과학과 음악에 대한 열정을 추구하다가 1919년 

케임브리지 대학교 뉴넘 칼리지에 장학금을 받고 입학했다.

멘토링과 교육

©Public Domain/Getty Images

페인은 처음에 식물학을 공부했지만

첫 해에 물리학으로 전환했다. 

원자 물리학에 대한 그녀의 교육은 어니스트 러더퍼드

(모든 원자에는 양전하를 띤 핵이 있다는 사실을 발견)와

 닐스 보어(전자가 핵을 공전하는 행동을 탐구)에 의해 이루어졌다.

아인슈타인의 

상대성 이론에서 영감을 받다

©Getty Images

페인은 1919년 일식 데이터를 사용하여 

아인슈타인의 당시 새로운 일반 상대성 이론을 검증한

 아서 에딩턴의 강연에 참석한 후 천문학에 빠졌다. 

그가 포착한 별의 이미지는 태양의 중력이 

별빛을 끌어당기고 경로를 변경하여 하늘에서

 별의 위치가 이동하는 것처럼 보였다.

미국에서 찾은 기회

©Getty Images

영국에서 학문적 기회를 얻지 못한 페인은 

1923년 미국으로 이주했다. 그녀는 

여성을 환영하는 몇 안 되는 천문학 기관, 

하버드 칼리지 천문대에서 대학원 공부를

 시작하여 혁명적인 발견을 했다.

천문학의 여성

©Getty Images

하버드 천문학 분야에 있던 대부분의 여성은 계산을 

수행하고 별빛을 분석하는 '컴퓨터' 역할로 밀려났다.

페인은 여성 동료들에게 부여된 제약을 넘어 

독립적인 연구를 추구함으로써 이러한 틀을 깨뜨렸다.

선구적인 분광 분석

©Public Domain

페인은 이전 연구를 이어가자는 멘토의 

제안을 거부하고 대신 수십 년에 걸친 

손대지 않은 별의 분광 데이터를 분석했다.

당시 하버드만큼 에멀젼 플레이트를 많이 

보유한 연구소는 전 세계 어디에도 없었다.

진보

©Getty Images

페인이 하버드에서 연구를 시작했을 때 

과학자들은 이미 분광학 판에서 볼 수 있는

 패턴의 출처를 알아냈다. 이 패턴은 

원자핵 주위를 회전하며 빛을 방출하거나 

흡수하는 전자의 에너지 준위 변화에 기인한다.

빛과 행동

©Shutterstock

흥미롭게도 빛의 색은 항상 특정 원자에 따라 일정하다.

 예를 들어 탄소 원자는 항상 서로 같은 양의 빛을 

방출하거나 흡수하지만 다른 원소의 원자와는 다르다.

원자 물리학의 역할

©Public Domain

페인은 원자 물리학의 이러한 최신 발견을

 활용하여 별빛을 분석했다. 

그녀는 원자 내 전자의 행동을 별에서 관찰되는

 스펙트럼과 연결하여 전자의 화학적 및 

물리적 과정을 더 명확하게 파악할 수 있었다.

메그나드 사하와의 협업

©Public Domain

페인은 인도 물리학자 메그나드 사하(사진)의 통찰을

 극한 조건에서의 기체의 거동에 통합하여 별의 온도와 압력이 

스펙트럼 패턴에 어떻게 영향을 미치는지 계산할 수 있었다

별빛 분해

©Getty Images

페인은 별 표면의 별빛 스펙트럼을 분석하여 

수소와 헬륨과 같은 기체가 빛을 흡수하는

 빈 영역을 확인했다. 이를 통해 

별의 원소 함량을 계산하고 마침내 별의 진정한

 구성 요소를 밝힐 수 있게 되었다.

수소와 헬륨

©Shutterstock

페인의 연구에 따르면 수소와 헬륨은 다른 어떤 

무거운 원소보다 별에 훨씬 더 많이 존재한다. 

이 발견은 이전의 믿음에 도전하고 우주의 

화학적 구성에 대한 과학자들의 이해를 재편성했다

별의 물리학 이해하기

©Shutterstock

페인의 연구는 별 내부의 극한 압력과 온도가 

별의 빛 패턴에 어떻게 영향을 미치는지 밝혀냈다.

 결국 1925년에 논문을 완성했고, 

그 과정으로 천문학 박사 학위를 취득했다.

주요 천문학자들의 저항

©Public Domain

그  시대에는 과학적 교리에 이의를 제기하는 과학자들

(특히 여성)이 직면하는 많은 도전 과제들이 있었다. 

페인은 논문의 탁월함에도 불구하고 당시 저명한 

천문학자 헨리 노리스 러셀로부터 강한 비판을 받았으며,

그녀의 발견은 의심받았다.

입증

©Shutterstock

페인의 논문이 발표된 지 불과 4년 후,

 헨리 노리스 러셀은 그녀의 결론을 재확인했고,

 별의 원소 구성에 대한 그녀의 주장은 입증되었다. 

이 입증은 그녀의 연구가 현대 천체물리학의 

초석임을 확고히 했다.

논문

©Shutterstock

페인의 200페이지 분량의 논문은

 여전히 천문학 연구의 걸작으로 꼽힌다. 

페인의 정밀함, 세부 사항, 혁신적인 결론은

 여러 세대에 걸쳐 과학자들이 별을 더 잘 

이해하고 탐구하도록 영감을 주었다.

별의 수명 주기를 해독하다

©Shutterstock

페인의 연구를 통해, 과학자들은 별의 형성부터 

폭발적인 죽음 또는 조용한 퇴색까지 별이 어떻게 

진화하는지 뿐만 아니라 별의 에너지가 외부 층으로 

어떻게 전달되는지 이해할 수 있는 길을 열었다.

헌신적인 학자

©Public Domain

1925년 박사 학위를 취득한 세실리아 페인은 

학업 경력 전체를 하버드에 바쳤다. 

그녀는 여성으로서 교수가 될 수 없었기 때문에 

압도적인 논문에도 불구하고 

저임금 연구직으로 수년을 보냈다.

획기적인 사건

©Getty Images

1956년 페인은 마침내 하버드 대학교 최초의

 여성 교수이자 최초의 학과장이 되어 

하버드의 새로운 지평을 열었다. 

그녀 이전의 여성은 앨리스 해밀턴으로 

1919년 조교수직만 유지했을 뿐이었다.

인류의 발견

©Shutterstock

페인의 여정은 과학 이면에 있는 인간의 노력을 상기시킨다. 

그녀의 용기와 지성은 하나의 호기심 어린 마음이 

자연 세계와 우주 속 인류의 위치에 대한 우리의 이해를

 어떻게 변화시킬 수 있는지를 보여준다.

출처: 

(National Geographic)  (Britannica) 

(American Museum of Natural History) 

(American Physical Society)