태양의 탄생 비밀, 납 동위원소에서 찾는다

태양은 어떻게 만들어졌을까?

이 오랜 질문에 대한 해답이 점차 가까워지고 있다.

국제 연구팀이 독일의 중이온연구소(GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung)의 실험저장링(ESR)에서 완전히 이온화된 탈륨(205Tl81+) 이온의 결합 상태 베타 붕괴를 측정하는 데 성공했다.

이 측정 결과는 거성(AGB) 별에서 방사성 납(205Pb)의 생성에 큰 영향을 미치며, 이를 통해 태양의 형성 시기를 보다 정확하게 추정할 수 있다.

연구 결과는 과학 저널 ‘네이처’에 게재되었다.

현재까지의 계산에 따르면, 태양은 원시 분자 구름에서 약 수천만 년에 걸쳐 형성되었다고 추정된다.

 

과학자들은 태양 형성 직전에 천체물리학적 s-과정을 통해 생성된 장수 방사성 핵종을 통해 이 수치를 도출한다.

s-과정은 태양계 근처의 거성(AGB) 별에서 일어나는 핵합성 과정이다.

태양 탄생 이후 46억 년이 지난 지금, 이러한 방사성 핵종은 모두 붕괴되었지만, 그 붕괴 생성물은 소행성에 남아 과학자들이 측정할 수 있는 미세한 과잉 양으로 존재한다.

 

이러한 연구에 이상적인 후보는 오직 s-과정을 통해서만 생성되고 다른 핵합성 과정의 영향을 받지 않는 방사성 핵종이다. ‘s-only’ 핵인 205Pb가 이러한 조건을 충족하는 유일한 후보이다.

연구팀은 205Tl81+ 이온의 붕괴율을 정밀하게 측정하여 205Pb의 생성량을 보다 정확하게 계산할 수 있게 되었다.

이를 통해 태양의 형성 시기에 대한 더욱 정밀한 추정이 가능해질 것으로 기대된다.

 

 

극히 드문 붕괴 현상에서 찾다

지구 상에서는 원자 번호 82번인 납-205(205Pb)가 양성자 하나와 전자 하나를 중성자와 전자 중성미자로 바꾸는 베타 붕괴를 통해 탈륨-205(205Tl)로 붕괴한다.

205Pb와 딸핵종인 205Tl 사이의 에너지 차이는 매우 작지만, 205Pb의 전자 결합 에너지가 205Tl보다 크기 때문에 붕괴가 일어난다.

즉, 모든 전자가 제거되면 붕괴의 모핵종과 딸핵종의 역할이 바뀌어 205Tl이 베타 마이너스 붕괴를 통해 205Pb로 붕괴한다.

이러한 현상은 수천만 도의 높은 온도로 원자가 완전히 이온화되는 거성(AGB) 별에서 일어난다.

거성에서 생성되는 205Pb의 양은 205Tl이 205Pb로 붕괴하는 속도에 크게 의존한다.

하지만 이 붕괴는 지구상의 일반적인 실험실 조건에서는 관측할 수 없다.

왜냐하면 지구상에서는 205Tl이 안정한 핵종이기 때문이다.

205Tl의 붕괴는 생성된 전자가 205Pb의 결합된 원자 궤도 중 하나로 포획될 때에만 에너지적으로 가능하다.

이는 결합 상태 베타 붕괴로 알려진 매우 드문 붕괴 방식이다.

 

더욱이 핵 붕괴는 205Pb의 흥분 상태를 생성하는데, 이 흥분 상태는 바닥 상태보다 겨우 2.3킬로전자볼트 높지만, 바닥 상태로의 붕괴보다 훨씬 더 선호된다.

205Tl-205Pb 쌍은 별의 시소 모델로 상상할 수 있다.

두 붕괴 방향이 모두 가능하며, 승자는 온도와 전자 밀도와 같은 별의 환경 조건과 핵 전이 강도에 따라 결정된다.

이 핵 전이 강도가 이 별의 경쟁에서 큰 미지수였다.

 

 

극한의 실험으로 밝혀내다

태양의 탄생 시기를 보다 정확하게 추정하는 데 핵심적인 역할을 하는 205Tl의 붕괴율을 측정하는 것은 매우 어려운 과제였다.

이 붕괴는 결합 상태 베타 붕괴로 알려진 매우 드문 붕괴 방식으로, 붕괴하는 핵이 모든 전자를 잃고 극한의 조건에서 몇 시간 동안 유지되어야만 측정할 수 있다.

이러한 극한의 조건을 구현할 수 있는 곳은 전 세계적으로 독일의 중이온연구소(GSI/FAIR)의 실험저장링(ESR)과 조각분리기(FRS)뿐이다.

GSI/FAIR의 유리 리트비노프 교수는 "205Tl81+의 측정은 1980년대에 제안되었지만, 실현되기까지 수십 년의 가속기 개발과 많은 동료들의 노력이 필요했다"고 말했다.

"성공적인 실험을 위해서는 핵반응을 통한 벌거벗은 205Tl의 생성, FRS에서의 분리와 축적, ESR에서의 냉각, 저장, 모니터링과 같은 획기적인 기술을 개발해야 했다."

다름슈타트 공과대학과 GSI/FAIR의 연구원인 리카르도 만치노 박사는 "전이 강도를 알게 됨으로써, 이제 우리는 거성에서 발견되는 조건에서 205Tl-205Pb 쌍이 작동하는 속도를 정확하게 계산할 수 있다"고 말했다.

이번 연구 결과는 태양의 탄생 시기를 보다 정확하게 추정하는 데 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다.

 

 

더욱 정확하게 밝혀지다

국제 연구팀이 205Tl의 붕괴율을 정밀하게 측정함으로써 태양의 탄생 시기를 더욱 정확하게 추정할 수 있게 되었다.

헝가리 콘콜리 천문대, 이탈리아 아브루초 천문대, 영국 헐 대학의 연구팀은 최신 거성(AGB) 천체물리학 모델에 새로운 205Tl/205Pb 별 붕괴율을 적용하여 거성에서 205Pb의 생성 수율을 도출했다.

 

콘콜리 천문대의 마리아 루가로 박사는 "새로운 붕괴율을 통해 우리는 거성에서 생성되는 205Pb의 양을 자신 있게 예측할 수 있고, 이것이 태양을 형성한 가스 구름으로 유입되는 양을 알 수 있다"고 설명했다.

"운석에서 추론한 205Pb의 양과 비교하면, 새로운 결과는 태양이 원시 분자 구름에서 형성되는 데 걸린 시간 간격이 천만 년에서 이천만 년 사이임을 시사한다.

이는 느린 중성자 포획 과정에 의해 생성된 다른 방사성 종과 일치한다."

트라이엄프(TRIUMF)의 박사과정 학생이자 논문의 제1 저자인 가이 레켄비는 "우리의 결과는 획기적인 실험 시설, 다양한 연구 그룹 간의 협력, 그리고 많은 노력이 별의 중심부에서 일어나는 과정을 이해하는 데 도움이 될 수 있음을 보여준다.

새로운 실험 결과를 통해 46억 년 전 태양이 형성되는 데 얼마나 걸렸는지 밝힐 수 있다"고 말했다.

측정된 결합 상태 베타 붕괴 반감기는 성간 매질에서 205Pb의 축적을 분석하는 데 필수적이다.

 

그러나 205Pb에 대한 중성자 포획률을 포함한 다른 핵 반응도 중요하며, ESR에서 대리 반응 방법을 이용한 실험이 계획되어 있다.

이러한 결과는 GSI/FAIR의 중이온 저장 링이 우주를 실험실로 가져올 수 있는 독특한 가능성을 보여준다.

이 연구는 프리츠 보쉬, 로베르토 갈리노, 한스 가이셀, 파울 키엔레, 프리츠 놀덴, 게랄드 J. 바서버그 등 수년 동안 이 연구를 지원한 고인이 된 동료들에게 헌정된다.