核合成, 원소합성, Nucleosynthesis 원소창조
핵융합이나 핵분열 등으로 새로운 원소가 만들어 지는 과정. 특히 천문학에서는 수소 헬륨 등 우주의 기본적인 가벼운 원소에서 탄소나 철 이나 금 같은 금속 등 무거운 중원소가 만들어지는 과정을 주로 말한다.
태초에 빅뱅이 일어났을 때는 1032 도K 정도의 엄청난 초고온이지만 우주가 급팽창하면서 단열냉각으로 온도가 떨어져 10초~몇 분 정도 후에는 10억도K 정도로 식으면 쿼크들이 결합해 양성자(=수소 이온) 와 중성자가 생성되게 된다. 이 양성자와 중성자들이 고온에서 서로 충돌 결합하면 헬륨과 약간의 중수소가 생성되고 수소와 헬륨 이외에 리튬 , 베릴륨 가벼운 기타 원소들이 극미량 생성된다. 그후 20분정도 시간이 지나면서 온도가 더욱 떨어져 핵합성은 멈추고 더이상 일어나지 않게 된다. 이 과정을 빅뱅 핵합성이라고 한다. 이때 생성된 원소들이 등이 초기 우주를 이루는 원재료이자 이들 원소들의 초기우주 구성비율이 돤다. 대충 수소가 75%, 헬륨이 25% 중수소가 0.01%이다. 그외 리튬 베릴륨 등 기타 원소의 초기 핵합성 량은 10-10 정도의 극미량에 불과해서 수소와 헬륨을 제외하고는 현재 우주에 있 기타 원소의 대부분은 나중에 항성이나 초신성에서 만들어 진 것들이다.
원자번호가 5이상인 붕소, 탄소 등 베릴륨 보다 무거운 모든 원소는 나중에 항성에서 핵융합에서 만들어 지거나 초신성의 폭발 등에서 핵합성에의해 만들어진 원소들이다. 이런 리튬보다 무거운 원소들을 통털어 천문학에서는 금속이라고 부른다. 탄소나 산소 등도 천문학에서는 금속이다.
태양같은 주계열 항성은 수소(원자번호 1) 를 핵융합해서 헬륨(원자번호 2)을 핵합성한다. 중심핵에서 수소가 거의 다 소진되고 헬륨이 쌓이면 중심핵은 빛을 낼 수없어 중력을 지탱하지 못하고 자체 중력으로 압축되어 온도와 압력이 크게 올라가는데 중심핵의 온도가 XX 도K가 되면 이번에는 헬륨이 핵융합을 시작해서 탄소를 핵합성한다. 이런 중심핵에서 헬륨을 태워 탄소를 핵합성하는 별이 적색거성. 갈색왜성에서는 리튬(원자번호 3) 핵융합이 일어난다. 그외 다양한 항성의 진화단계에서 더욱 고온의 별에서는 탄소(원자번호 6), 네온(원소번호 10), 산소(원자번호 8), 규소(원자번호 14) 등이 핵융합해서 원소의 주기율표에서 탄소(원자번호 6)에서부터 철(원자번호 26)이나 까지 사이의 원소들이 주로 합성되고 또 중성자 포획 등 다양한 과정으로 소량의 더욱 무거운 중원소들이 핵합성된다. 작은 별에서 주로 가벼운 원소들이, 크고 온도가 높은 별에서는 무거운 원소들이 합성된다.
초신성에서는 별에서 규소(원자번호 14)에서 니켈(원자번호 28) 등이 주로 핵합성된고 별에서 만들어지기 어려운 철보다 무거운 원소들도 다양한 핵합성 과정을 통해 합성되어 우라늄(원자번호 92) 이나 플로토늄(원자번호 94) 까지의 원소주기율표 상의 모든 원소들이 생성된다. 하지만 역시 대체로 무거운 원소들은 핵합성이 어려워서 구성 비율이 낮다. 무거운 금이나 백금이 왜 지각구성비 (클라크수)가 낮은지 그래서 귀한 지를 설명해준다. 여러분 손가락에 낀 금반지는 초신성의 폭발에서 나온 재를 모은 것이다.
이 핵합성의 의미는 결국 우리 태양계의 구성성분은 태양계가 생기기도 전에 있었던 조상 별들이 진화과정에서 핵합성으로 여러 원소를 만들고 나중에 폭발하며 남은 폭발 잔해나 초신성이 폭발하며 일어난 핵합성으로 만들어진 재(灰)에서 나온 것이다. 별의 생성, 진화, 소멸의 세대를 거칠수록 무거운 원소의 비율이 높아지고 특히나 무거운 중원소는 초신성의 폭발 에서만 생성된다. 태양계는 비교적 무거운 원소(금속)의 비율이 높은 대충 3세대 별에 해당된다. 그러니 비교적 무거운 암석으로 이뤄진 지구나 그 지구위의 생명들, 바로 여러분의 몸은 억겁의 세월 전에 폭발한 별과 초신성에서 생겨나 우주공간에 뿌려진 폭발의 재에서 태어난 존재인 것이다. 우리는 초신성에서 태어난 자손들이다.