수소

그림 1. 수소(Hydrogen)는 양성자(Proton)와 그 주변을 돌고있는 전자(electron)로 이루어짐.(출처: 이상성/한국천문학회)

수소(Hydrogen)는 우주에서 가장 간단한 원자로서, 양성자 한 개와 전자 한 개로 이루어져 있다(그림 1). 원자기호는 H이고, 수소 원자는 일반적으로 HI으로 표기한다. 수소 원자 내 전자의 회전(spin) 방향이 바뀔 때 1420MHz 주파수를 갖는 전파영역 빛을 방출한다. 수소가 전리되면 전자를 잃게 되고 양성자만 남게 된다. 이를 전리된 수소라고 하며 HII라고 표기한다. 가장 안정된 수소 원자를 전리시키기 위해서, 즉 가장 안정된 상태의 전자를 수소 원자로부터 분리시키기 위해서 필요한 에너지는 13.6 eV(electron Volt)이다. 무거운 별들 주변의 수소 기체들은 별에서 방출되는 자외선 빛에 의해 전리되어 HII영역을 형성하고 이는 스트롬그램 구(Stromgren sphere)라고 불리기도 한다. 수소원자는 다른 수소 원자와 결합하여 수소분자(@@NAMATH_INLINE@@{\rm H}_2@@NAMATH_INLINE@@)를 이룬다.

목차

수소 내의 전자는 양성자 주변을 원 운동하는데, 전자가 그 운동 궤도를 바꿀 때, 특히 양성자에 더 가까운 운동 궤도로 바꿀 때마다 스펙트럼 방출선을 복사한다. 수소에서 방출되는 이런 스펙트럼 방출선은 천문학에서 아주 중요한 관측대상이 된다. 우주에서 흔히 발견할 수 있는 자유롭게 운동하는 전자가 하나의 양성자와 결합하여 수소 원자를 형성하고 그 운동 궤도를 양성자에 더 가까운 운동 궤도로 바꿀 때 방출하는 복사는 자외선 영역에서 방출되는 스펙트럼 방출선인 라이먼계열(Lyman series) 복사, 가시광 영역에서 방출되는 스펙트럼 방출선인 발머계열(Balmer series) 복사, 적외선 영역에서 방출되는 파쉔계열(Paschen series) 복사 등이 있다.

그림 2. 중성수소(HI) 21cm 방출선의 원리. 양성자와 전자의 회전 방향이 같은 상태는 높은 에너지 상태이며, 회전 방향이 서로 다른 상태는 낮은 에너지 상태임. 높은 에너지 상태에서 낮은 에너지 상태로 변환될 때 1420MHz 주파수의 스펙트럼 방출선 복사가 방출됨.(출처: 이상성/한국천문학회)

1944년, 네덜란드 천문학자 헐스트(Hendric van de Hulst)는 중성수소가 21cm 방출선 복사를 방출할 수 있다고 예측하였다. 그 후 1951년, 하바드대학의 물리학자 에윈(Harold Irving Ewen)과 퍼셀(Edward Mills Purcell)이 중성수소 21cm 방출선을 검출하였다.

수소 원자 HI은 전리 되지 않은 수소, 즉 중성수소라고 불리기도 한다. 이 중성수소는 1420MHz 주파수(또는 21cm 파장)의 스펙트럼 방출선 복사를 방출한다(그림 2). 이는 수소 원자가 가장 안정된 상태(기저상태)에서 미세한 에너지 차이(@@NAMATH_INLINE@@\Delta E=5.9\times10^{-6}{\rm eV}@@NAMATH_INLINE@@)를 갖는 두 상태로 존재하며, 상대적으로 높은 에너지 상태의 수소가 더 낮은 에너지 상태로 변할 때, 그 에너지 차이만큼을 빛으로 방출하기 때문이다. 이 에너지 차이는 수소 원자를 이루고 있는 원자핵(또는 양성자)과 전자의 회전(spin, 또는 회전 각운동량) 사이의 상호작용에 의해 발생하는데, 두 회전의 방향이 같을 때 더 높은 에너지 상태를 유지하고, 전자의 회전 방향이 바뀌어 두 회전의 방향이 반대 방향일 때 더 낮은 에너지 상태가 된다. 이러한 수소 원자의 기저상태 에너지 차이를 수소 초미세 구조(hydrogen hyperfine structure)라고 한다.

천문학에서 중성수소 21cm 방출선은 다양한 분야에서 중요한 관측대상이 된다. 전파천문학에서 발견된 중성수소 방출선은 비교적 긴 전파 파장으로 지구대기나 성간먼지 등에 의한 산란 등의 소광이 적어서 우리은하 뿐만 아니라 외부은하 및 우주론 연구에도 가장 많이 사용되는 관측대상이다. 우리은하 연구에 있어서 나선팔에 존재하는 중성수소 방출선의 도플러효과 관측을 이용하여 나선팔의 시선속도를 측정할 수 있다. 이는 우리은하의 회전곡선을 연구하는 핵심적인 관측방법이다. 우리은하뿐 아니라 외부은하에도 중성수소는 존재하고 있으며, 이 중성수소 방출선 관측은 외부은하의 회전운동 등의 연구에 활용된다. 더 나아가 우주론 연구에서 빅뱅 직후인 우주 생성 초기에 물질재결합(recombination) 시기에 생성된 중성수소의 방출선 분포는 생성된 물질의 분포 연구에 매우 중요한 도구가 된다. 또한 우주초기의 물질 재전리(re-ionization)시기에 중성수소의 방출선 분포는 전리되지 않은 물질 분포를 반증하는 도구로 사용되기도 한다.