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별이 일생의 대부분동안 빛나는 것은 수소를 헬륨으로 변환시키고 있기 때문이다. 이 변환은 별 내부의 깊은 곳에서 상상할 수 없이 높은 압력과 높은 온도에서 일어난다. 은하계 내에서는 기체와 먼지와 거대한 구름 속에서 지난 100억년동안 항성들이 탄생해왔다. 기체와 먼지라는 태반은 일단 별을 둘러싸고 별에 영양분을 공급해주는 원천으로 사용된 다음에는 대부분 소실되어 별에 흡수되거나 다시 성간공간으로 흩어진다. 

별들이 조금 더 나이를 먹게 되면 - 별의 역사에서 아직 유년기에 해당되지만 - 기체와 먼지 속에서 탄생할 수 있었던 원시원반은 차츰 뚜렷한 형태를 띠게 된다. 안쪽 원반이 별주위를 빠른 속도로 회전하는데 비해, 바깥쪽 층의 움직임은 좀 더 느리고 안정적이다. 이제 기체는 사라지고 대부분은 먼지가 되어 먼지 알갱이 하나하나가 마치 작은 행성처럼 중심에 위치한 별주위를 돈다. 이런 원시원반은 별의 청년기이후에는 거의 사라진다. 바깥쪽 층은 이미 먼지까지 잃어 거의 보이지 않는다. 태양과 비슷한 크기의 젊은 별중에서 절반 정도는 이런 원반을 가진다. 그러나 성장이 끝난 별에서는 완전히 사라지거나 있어도 거의 보이지 않게 된다. 

우리 태양계에서는 현재 황도운이라고 불리는 태양주위를 회전하는 넓게 확산된 희박한 먼지의 대가 남아 있는 정도이다. 이 거대한 원반에서 행성계가 태어났다. 지금까지의 관측결과는 우리에게 다음과 같은 사실을 알려준다. 별은 가스와 먼지가 모여 있는 거대한 솥속에서 탄생한다. 농축된 물질덩어리는 부근에 있는 기체나 먼지를 끌어당겨 계속 커지고 밀도 역시 높아진다. 커지면 커질수록 물질을 모으는 효율이 높아져, 문자 그대로 단번에 스타덤에 오르게 된다. 

중심부의 온도와 압력이 충분히 높아지면 우주공간에서 아주 흔한 수소원자가 압축되어 핵융합반응이 시작된다. 핵융합반응의 규모가 충분히 커지면 별은 점화되어 주위의 어둠을 몰아낸다. 이른바 물질이 빛으로 변하는 것이다.  

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사진 왼쪽은 한스 베테(1906~2005). 독일 출신이지만, 어머니가 유대인이라는 이유로 나치의 박해를 받자 미국으로 망명했고 1935년 코넬 대 교수가 됐다. 리처드 파인만, 칼 세이건 등이 그의 후배 교수로 코넬 대에서 가르쳤다. 사진 오른쪽은 1967년 노벨 물리학상을 받는 한스 베테​

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인류가 지구상에 나타난 이래 가졌던 의문의 하나는 밤하늘의 별이 무엇으로 저렇게 반짝이는가 하는 물음이었을 것이다. 무수한 별들 중에서도 평범한 별의 하나인 태양이 무엇으로 저렇게 뜨거운 에너지를 뿜어내고 있는가 하는 문제는 19세기가 다 지나도록 전혀 풀릴 기미를 보이지 않았다. 심지어 어떤 과학자는 태양이 엄청난 석탄을 태우기 때문이라는 웃지 못할 가설을 내놓기도 했다.

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별이 반짝이는 이유를 인류가 최초로 알아낸 것은 20세기 중반에 이르러서였다. 2차대전 발발 직전인 1938년, 미국 코넬 대학 물리학자인 한스 베테에 의해 비로소 인류는 별이 빛나는 이유를 알아내기에 이르렀다. 반짝이는 별들은 그 중심에서 4개의 수소가 융합하여 한 개의 헬륨이 되는 과정을 통해 엄청난 에너지를 생성한다는 사실이 알려졌던 것이다. 말하자면 별은 우주의 핵발전소였던 것이다.

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인류가 수만 년 동안 궁금해하던 별이 빛나는 이유를 밝혀낸 데에는 재미있는 일화가 있다. 32살의 노총각 교수 베테가 이 사실을 논문으로 발표하기 하루 전, 여친과 바닷가에서 데이트를 즐겼는데, 그녀가 서녘 하늘을 가리키며 말했다. “어머, 저 별 좀 보세요. 오늘 밤 별이 참 예쁘네요.” 사랑에 빠진 사람에게 뭔들 예쁘게 보이지 않을까만, 그녀가 가리킨 별이 특히 예뻤던 모양이다.

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베테는 으시대면서 이렇게 말했다. “흠, 그런데 저 별이 빛나는 이유를 아는 사람은 이 세상에서 나밖에 없답니다.”

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그리하여 여자는 별이 빛나는 이유를 안 두 번째 사람이 되었고, ‘별이 빛나는 이유’를 아는 유일한 남자였던 베테는 그로부터 29년 뒤인 1967년 별의 에너지원에 관한 연구로 노벨 물리학상도 거머쥐는 행운을 쥐게 되었다. 노벨상 선정위원회의 선정 이유는 다음과 같다.

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“항성 에너지의 근원에 대한 교수님의 해법은 우리 시대 기초물리학의 가장 중요한 응용 가운데 하나로서 우리를 둘러싼 우주에 대한 이해를 더욱 깊게 해주었습니다.”

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원래 독일 태생인 베테의 아버지는 프러시아 인 개신교 신자로, 생리학 교수였고, 어머니가 유대인이었다. 뮌헨 대학에서 물리학 박사 학위를 받고 잠시 대학에서 교편을 잡았던 베테는 1933년 나치가 정권을 잡자 어머니가 유대인이라는 이유로 대학에서 쫓겨났다. 그후 영국을 거쳐 미국으로 망명한 베테는 1935년 코넬 대학에 둥지를 튼 후 정년까지 그곳을 떠나지 않고 연구를 계속했다.

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그 무렵 베테는 당시까지 알려진 원자핵 물리학에 관한 이론 및 실험의 내용을 집대성하여 ’현대물리학 리뷰‘ 지에 세 차례에 걸쳐 발표했다. 이 리뷰 논문은 모든 원자핵 물리학을 공부하는 학도들의 교과서가 되어 원자핵 물리학에 대한 '베테의 성경'(Bethe‘s Bible)이라는 별명을 얻을 정도로 높은 평가를 받았다.

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2차대전이 발발하자 미 국방부는 원자탄 제조를 위한 맨해튼 프로젝트를 가동했고, 베테는 이론 부분 감독직을 맡게 되었다. 베테는 뉴멕시코주 로스 알라모스 비밀 연구소에서 리처드 파인만과 함께 원자폭탄의 효율을 계산하는 ‘베테-파인만 방정식’을 만들었고, 그것은 1945년 뉴멕시코주 실험장에서 폭발 실험에서 계산의 정확성이 입증되었다. 그러나 베테는 종전 후 반핵운동 진영에 서서 세계평화를 위해 헌신했다.

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물리학자의 로망. 코넬의 윌슨 입자 가속기에서 자전거를 타고 있는 한스 베테와 보이스 맥다니엘​

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스키나 등산을 좋아한 베테는 로스 알라모스 시절에도 휴일이면 자주 동료 물리학자들과 함께 어울려 주변의 산을 등산했다. 머리를 짧게 깎고 다녔으므로 강한 인상을 풍겼으나, 말씨는 부드러웠고 항상 웃음을 잃지 않는 온화한 인물이었다. 열자리 이상의 숫자 곱하기, 나누기 암산에도 능해 가끔 파인만과 암산 배틀을 벌이기도 했는데, 서너 번 중 한 차례 파인만에게 지는 정도였고, 그러면 젊은 파인만에게 대견하다는 듯 빙긋 미소를 지어 보이기도 했다. 또 그는 생전 알프스와 로키 등 세계의 유명 산을 거의 다 올랐다고 한다.

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별은 무엇으로 빛나는가? 수만 년의 인류 궁금증을 풀어준 이분, 2005년에 돌아가셨다. 백 살에서 한 살 빠지는 99살까지 사시고. 주변 사람들 얘기론 생전에 꼭 세인트, 성자의 풍모를 풍겼다고 한다.

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마지막으로 여담 하나. 베테가 임종할 때 그의 옆을 부인이 지켰다는데, 과연 그녀가 1938년 바닷가에서 베테로부터 별이 반짝이는 이유를 들었던 그 처녀가 맞을까?

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필자도 몰랐지만 나중에 어느 책에서 그녀가 맞다는 사실을 확인했다. 그녀는 튜빙겐 대학의 교수의 딸인 로즈 에발트라는 처녀로, 두 사람은 이듬해인 1939년 결혼식을 올렸다. 그러니까 베테 부부는 무려 66년이나 해로한 셈이다.

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이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com