지구에서 발견되기 전에 우주에서 먼저 발견된 유일한 원소 - 우주에서 두 번째로 풍부한 원소

1868년, 천문학자들은 태양의 빛 속에서 새로운 원소를 발견했고, 태양을 뜻하는 그리스어를 따서 헬륨이라 명명했다. 그리고 지구상에서 그 흔적을 찾아내기까지 무려 27년이 더 걸렸다.

주기율표에 있는 다른 모든 화학 원소들은 처음에 지구 어딘가의 암석, 불꽃, 또는 기체가 든 병 속에서 발견되었다.

헬륨은 태양의 빛 속에서 발견되었다. 1868년 8월 18일 개기일식 동안, 피에르 장센이라는 프랑스 천문학자는 분광기를 타오르는 태양의 가장자리에 겨누었다. 그는 그 아래 지구상에서 알려진 어떤 물질과도 일치하지 않는 밝은 노란색 선을 보았다.

그해 10월, 영국 천문학자 노먼 로키어도 같은 선을 보았고, 이후 몇 년 동안 그는 화학자 에드워드 프랭클랜드와 함께 그것이 지구에 기록된 적이 없는 원소에 속한다고 주장했다. 그들은 태양을 뜻하는 그리스어 '헬리오스(Helios)'를 따서 헬륨(helium)이라 명명했다. 누군가 실험실에서 그 시료를 손에 쥐기까지는 27년이 지난 1895년이 되어서야 가능했다. 오늘날까지도 헬륨은 지구에서 발견되기 전에 우주에서 먼저 발견된 유일한 원소로 남아 있다.

별에서 원소를 읽어내는 방법

이를 가능하게 한 비결은 분광기(spectrometer)였다. 이 기구는 프리즘처럼 빛을 각각의 색깔로 분산시키되, 각 색깔의 정확한 파장을 측정할 수 있을 만큼 정밀했다. 1850년대에 독일 연구자 구스타프 키르히호프와 로베르트 분젠은 모든 화학 원소가 가열될 때 각자 고유한 색깔의 집합으로 빛난다는 것을 보여주었다. 그 밝은 선들은 지문처럼 작용했다. 나트륨을 태우면 특정한 노란색이 나오고, 수소를 태우면 항상 같은 위치에 특정한 패턴의 선들이 나타났다.

이 발견은 천문학을 화학의 영역으로 뒤바꾸어 놓았다. 분광기를 먼 불꽃에 겨누면, 그 불꽃이 9천 3백만 마일 떨어진 별이라 할지라도 선들의 패턴이 무엇이 타고 있는지 알려주었다. 1860년대까지 천문학자들은 정확히 그렇게 했고, 빛만으로 태양과 별들의 화학적 구성을 읽어내고 있었다.

개기일식이 도움이 된 이유는, 평소에는 눈부신 태양 원반이 희미한 채층(가장자리에서 홍염이 솟아오르는 얇은 고온 가스층)을 압도해 버리기 때문이다. 1868년 그 8월의 어느 날, 달이 원반을 가렸을 때, 장센은 마침내 그 가장자리의 깨끗한 스펙트럼을 얻을 수 있었고, 그곳에 익숙하지 않은 노란색 선이 자리 잡고 있었다.

장센은 그것을 보기 위해 먼 길을 여행했다. 1868년의 일식현상은 인도에서 관측 가능했고, 그는 프랑스 정부와 과학 아카데미가 상당한 자금을 지원한 원정대의 일원으로 인도 동남부 해안의 군투르에 관측소를 설치했다. 그는 천성적으로 집요한 일식 사냥꾼으로, 훗날 포위된 파리에서 열기구를 타고 탈출하여 알제리의 일식을 관측하러 갈 정도였다. 그 노란색 선은 그 비용을 정당화할 만한 결과였고, 그도 그것을 잘 알고 있었다.

지구상의 어떤 것과도 맞지 않는 선

그 새로운 선은 나트륨이 만드는 한 쌍의 노란색 선(이미 D1과 D2로 명명됨)에 매우 가깝게 자리 잡고 있었다.

그 세 번째 선이 나트륨에 속하지 않았기 때문에, 로키어는 그 계열의 다음 이름을 따서 D3라고 불렀다. 

문제는 D3가 누구도 실험실에서 만들어 낼 수 있는 어떤 원소와도 일치하지 않는다는 것이었다.

장센 역시 일식을 기다리지 않고 채층을 관측하는 방법을 고안해 냈는데, 평범한 날에도 기기를 세심하게 조정하는 방식이었다. 로키어는 그해 10월에 자신의 관측을 수행했고, 그의 결과와 장센의 결과에 대한 소식이 거의 동시에 프랑스 과학 아카데미에 도달했기 때문에, 두 사람은 보통 그 관측 방법에 대한 공동 공로자로 인정받는다. 훗날 두 사람의 얼굴이 새겨진 메달도 주조되었다.

그 선을 완전히 새로운 원소로 규명하는 것은 더 대담한 발걸음이었고, 주로 로키어의 몫이었다. 그가 함께 일했던 화학자 프랭클랜드는 그렇게 입증되지 않은 것에 자신의 이름을 올리는 것을 꺼려했다. 원소가 태양에는 존재하지만 지구의 어떤 광물에도 존재하지 않을 수 있다는 생각은 많은 과학자들에게 무리한 주장으로 받아들여졌고, 10년이 넘는 기간 동안 헬륨은 이름만 붙여졌을 뿐 확인되지 않은 기묘한 경계 상태에 머물러 있었다.

27년의 기다림

확인은 거의 우연히 이루어졌다. 1895년, 스코틀랜드 화학자 윌리엄 램지는 자신이 공기 중에서 발견하는 데 기여한 아르곤이라는 기체를 찾고 있었다. 그는 우라늄을 함유한 클레이바이트(cleveite)라는 광물에 산을 처리하고, 거품처럼 올라오는 기체를 모아 분광기로 관찰했다.

그 기체는 밝은 노란색 선을 보여주었다. 램지는 그것이 아르곤의 선일지도 모른다고 의심했지만, 위치가 정확히 맞지 않아 확신을 얻기 위해 로키어와 다른 분광학자들에게 시료를 보냈다. 그 선은 D3였다. 1868년 태양에서 읽어낸 그 원소는 사실 그동안 광석 덩어리 속에 갇혀 있었고, 방사성 광물 안에 갇혀 우라늄의 붕괴에 의해 서서히 생성되고 있었던 것이다. 램지는 헬륨과 다른 이른바 비활성 기체들을 규명한 공로로 1904년 노벨 화학상을 수상했다.

태양신의 이름에서 따온 이 이름은 작은 역사적 아이러니로 드러났다. 헬륨은 우주에서 두 번째로 풍부한 원소로, 빅뱅 후 첫 수 분 동안 엄청난 양이 생성되었고 그 이후로 별 내부에서 꾸준히 핵융합으로 만들어지고 있다. 그것은 오직 이 작은 행성의 표면에서만 드문데, 그곳에서는 가볍기 때문에 우주로 빠져나가 버리고 붙잡아 두기가 어렵기 때문이다.

깔끔한 이야기가 흐려지는 지점

헬륨이 1868년 태양에서, 1895년 지구에서 발견되었다는 말끔한 이야기는 사실 훨씬 더 복잡한 현실을 매끄럽게 다듬은 것이다. 1868년에는 누구도 새로운 원소를 발견했다고 선언하지 않았다. 그해 기록된 것은 설명할 수 없는 노란 선 하나였을 뿐이다. 그것을 별개의 원소라고 부르게 된 것은 하나의 해석이었다 — 점진적으로 이루어지고, 신중한 화학자들의 저항을 받으며, 램지가 플라스크 안에서 그 기체를 실제로 만들어내고 나서야 비로소 결론이 내려진 해석이었다.

1895년이라는 날짜 역시 들리는 것만큼 명확한 마침표가 아니다. 이미 1882년에 이탈리아 물리학자 루이지 팔미에리가 베수비오 화산의 용암을 연구하던 중 같은 노란 D3선을 포착했다고 보고했는데, 이것이 사실이라면 램지가 헬륨을 분리하기 몇 년 전에 이미 지구상의 헬륨 흔적이 목격된 셈이다. 그 주장은 지금으로서는 검증하기 어렵고 이후로도 발전되지 않았기에, 최초의 확실한 분리에 대한 공로는 여전히 램지에게 돌아간다. 그러나 이는 "1895년 지구에서 발견"이라는 간결한 표현이 단 하나의 유레카 순간이 아닌, 점진적이고 논쟁적인 과정을 덮어버리고 있다는 사실을 상기시켜 준다.

모든 단서와 유보 조건을 걷어내고도 남는 것은, 진정으로 기묘한 사실이다. 순서가 실제로 거꾸로였다. 태양에서 온 빛의 패턴이 어떤 화학자도 발밑에서 그 원소를 찾아내기 전에, 천문학자들에게 그 원소의 존재를 알려주었고 — 그들의 판단은 옳았다. 그런 일은 그전에 한 번도 없었고, 그 이후로도 같은 방식으로 일어나지 않았다.

색깔로 우주를 읽다

헬륨 이야기는 보통 기이한 일화, 풍선 기체에 대한 잡학으로 전해진다. 

그러나 그것은 또한 전환점이기도 했다. 그것은 누구도 만질 수 없는 물체에서 도달하는 빛이 그 물체가 무엇으로 만들어졌는지에 대한 신뢰할 수 있고 검증 가능한 정보를 전달한다는 것을 증명했다.

그 원리는 지금까지 천문학자들이 먼 세계의 화학에 대해 알고 있다고 주장하는 거의 모든 것의 기초가 되며, 고대 별의 철부터 다른 태양을 도는 행성들의 대기에서 읽어낸 수증기에 이르기까지 모든 것을 포함한다. 1868년 두 관측자를 당혹스럽게 했던 희미한 노란색 선은, 어떤 기기도 방문할 수 없는 곳에서 왔을지라도 스펙트럼을 신뢰할 수 있다는 초기의 증거였다.