우주에서 가장 흔한 원소는 무엇인가 왜 금은 귀하고 수소는 많을까

밤하늘을 올려다보면 별이 가득하지만 실제로 우주를 이루는 재료는 생각보다 단순합니다. 우주 전체를 구성하는 원소 중 가장 압도적으로 많은 것은 수소이고 그 다음이 헬륨입니다. 우리가 일상에서 중요하게 여기는 금과 철과 산소 같은 무거운 원소들은 사실 우주 전체로 보면 극히 일부에 불과합니다.

그렇다면 왜 우주에서 가장 흔한 원소는 수소일까요 반대로 왜 금과 같은 무거운 원소는 그토록 귀한 존재가 되었을까요 이 질문에 답하기 위해서는 빅뱅 이후 우주가 어떻게 식어 가고 별이 어떤 방식으로 원소를 만들어 내는지 살펴봐야 합니다.

1 우주에서 가장 흔한 원소는 수소다

현재 우주의 원소 비율을 질량 기준으로 대략 나누면 수소가 대략 칠할, 헬륨이 이할 정도를 차지합니다. 나머지 산소와 탄소와 질소와 철과 금 같은 모든 원소를 다 합쳐도 겨우 몇 퍼센트에 불과합니다.

즉 우주를 구성하는 기본 재료 대부분은 가장 단순한 원소인 수소입니다. 수소는 양성자 하나와 전자 하나로 이루어져 있고 구조가 단순하며 만들어지기도 쉽습니다.

2 빅뱅 직후 우주는 거의 수소와 헬륨뿐이었다

빅뱅 직후의 우주는 엄청나게 뜨거운 에너지와 기본 입자로 가득한 상태였습니다. 시간이 지나며 우주가 팽창하고 식어 가자 양성자와 중성자가 결합해 가장 가벼운 원자핵들이 만들어졌습니다.

이때 이루어진 과정이 바로 빅뱅 핵합성입니다. 이 시기에 만들어진 것은 주로 수소와 헬륨 그리고 극히 소량의 리튬과 베릴륨뿐이었습니다. 온도와 밀도가 빠르게 떨어졌기 때문에 그보다 무거운 원소들이 만들어질 시간과 환경이 충분하지 않았습니다.

그래서 초기 우주는 거의 순수한 수소와 헬륨의 바다였습니다. 금이나 철과 같은 무거운 원소는 당시에는 사실상 존재하지 않았다고 볼 수 있습니다.

3 별은 어떻게 무거운 원소를 만드는가

무거운 원소들은 대부분 별의 내부에서 만들어집니다. 수소가 압력과 온도가 매우 높은 별의 중심부에 모이면 수소 핵융합이 일어나 헬륨이 만들어지고 막대한 에너지가 방출됩니다. 이 에너지가 바로 우리가 보는 별빛의 정체입니다.

질량이 큰 별 내부에서는 시간이 지나며 헬륨이 다시 핵융합을 거쳐 탄소와 산소와 네온과 실리콘과 철 등 점점 더 무거운 원소들이 생성됩니다.

그러나 철보다 무거운 원소는 일반적인 항성 내부 핵융합만으로는 충분히 만들어지지 않습니다. 철을 넘어서는 핵융합은 에너지를 내는 대신 에너지를 소비하기 때문에 별 내부의 평형을 깨뜨려 버리기 때문입니다.

4 초신성과 중성자별 충돌이 금을 만든다

금과 백금과 우라늄처럼 철보다 무거운 원소들은 극단적인 우주 사건에서 만들어지는 것으로 알려져 있습니다.

대표적인 예가 초신성 폭발과 중성자별 병합입니다. 거대한 별이 생애를 마칠 때 중심부가 붕괴하면서 초신성 폭발이 일어나고 이 과정에서 엄청난 에너지와 함께 중성자들이 원자핵에 빠르게 흡수되는 반응이 벌어집니다.

이때 여러 단계의 핵반응을 거쳐 금과 같은 아주 무거운 원소들이 생성됩니다. 또한 두 개의 중성자별이 충돌할 때도 비슷한 환경이 형성되어 많은 무거운 원소가 한 번에 만들어질 수 있습니다.

이렇게 만들어진 금과 다른 중원소들은 폭발로 사방에 흩어지고 시간이 지나면서 우주 공간의 가스와 먼지 사이에 섞입니다. 그 뒤 새로 태어나는 별과 행성에 이 물질이 포함되면서 오늘날 우리 지구에도 금이 존재하게 된 것입니다.

5 왜 금은 희귀하고 수소는 흔한가

수소가 흔한 이유는 단순합니다. 빅뱅 이후 자연스럽게 가장 많이 만들어졌고 지금도 별 속에서 완전히 소모되지 않았기 때문입니다. 수소는 우주의 기본 바탕이자 별이 빛을 내기 위한 연료입니다.

반면 금은 만들어질 수 있는 환경이 매우 제한적입니다. 초신성 폭발이나 중성자별 병합처럼 우주에서도 드문 극단적인 사건에서만 많은 양의 금이 한꺼번에 만들어질 수 있습니다.

또한 한 번 만들어졌다고 해도 금이 속한 물질이 행성 내부에 갇히거나 별 안쪽으로 다시 빨려 들어가기도 합니다. 이런 과정을 거치며 실제로 우리가 채굴할 수 있는 금의 양은 더욱 제한됩니다.

요약하면 수소는 우주 전체에서 기본적으로 풍부하게 태어난 원소이고 금은 특별한 사건에서만 조금씩 만들어지는 희귀한 부산물이라고 할 수 있습니다.

6 인류가 금에 가치를 부여한 과학적 배경

금이 귀한 이유는 단순히 반짝이기 때문만은 아닙니다. 금은 화학적으로 매우 안정적이며 다른 물질과 잘 반응하지 않습니다. 쉽게 녹슬지 않고 변색도 잘 일어나지 않기 때문에 오래전부터 장신구와 화폐로 사용하기에 적합했습니다.

여기에 우주적으로도 희귀한 원소라는 점이 더해지면서 금은 자연스럽게 높은 가치를 갖게 되었습니다. 반대로 수소는 아무리 많아도 우리가 일상에서 금처럼 희소성과 장식성을 느끼기 어려운 원소입니다.

7 우리 몸과 지구도 별이 만든 원소로 채워져 있다

우리가 숨 쉬는 산소와 몸을 이루는 탄소와 칼슘과 철 역시 모두 별 내부와 초신성 폭발에서 만들어진 원소입니다.

즉 우리 몸과 지구와 주변의 모든 물질은 과거에 존재했던 별들의 핵융합과 폭발이 남긴 결과물입니다. 흔한 수소와 헬륨 위에 이런 무거운 원소들이 조금씩 더해지면서 행성과 생명과 문명이 등장할 수 있었던 것입니다.

8 결론 왜 금은 귀하고 수소는 많은가

우주에서 가장 흔한 원소는 당연히 수소이며 이는 빅뱅 직후 우주가 뜨거웠을 때 자연스럽게 가장 많이 생성된 원소이기 때문입니다. 반면 금은 드물게 일어나는 초신성 폭발과 중성자별 충돌 같은 극한 사건에서만 생성되는 특수한 원소입니다.

따라서 수소는 우주의 기본 재료로서 어디에나 널려 있고 금은 우주 전체로 봐도 매우 희귀한 원소가 됩니다. 이런 우주적 희귀성과 물질적 안정성이 합쳐져 인류는 금에 높은 가치를 부여해 왔습니다.

밤하늘을 볼 때 그 속에 가득한 수소와 헬륨 그리고 그 사이에 섞여 있는 소량의 금과 다른 무거운 원소들을 떠올려 보면 우리가 얼마나 특별한 조합 위에서 살아가고 있는지 새삼 느낄 수 있을 것입니다.