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현대과학에서 우주 상에 존재하는 원소의 기원에 대해서는 빅뱅이론이 지배적 이론이다. 조지 가모프는 빅뱅이론을 제안하면서 정말 짧은 시간에 원소들이 생성되었다고 주장했다. 

빅뱅 이후 냉각되던 우주는 1분도 되지않는 짧은 시간에 양성자와 중성자를 생성하였고, 이 중성자와 양성자는 서로 결합하여 더욱 안정적인 상태의 헬륨 핵 합성을 시작하였다. 그런데 2개의 양성자와 2개의 중성자로 생상된 헬륨 핵이 형성되기 위해서는, 양성자와 중성자로 이루어진 중수소핵이 먼저 만들어져야 했다. 하지만 아직 고온이였던 우주의 온도가 10억K 로 떨어진 이후에야 중수소가 안정적으로 형성되어 헬륨-4의 형성이 본격적으로 시작되었다.

빅뱅 후 3분이 지나자 우주 온도는 3억K로 떨어졌고, 그동안 우주에 존재하는 헬륨-4와 중수소 대부분이 형성되었다. 헬륨 핵 속에 있던 중성자와 달리 자유 중성자는 불안정하여 양성자로 분열을 계속하였는데, 당시 양성자와 중성자의 비율은 약 7:1이 되었다. 중성자는 모두 양성자와 결합하여 헬륨-4를 이루어서 우주를 구성하는 물질 중 약 75%는 수소이고 나머지는 헬륨이 되었고, 이 비율은 이휴에 변하지 않고 유지되었다. 헬륨-4는 안정되어, 합성을 통해 다른 안정된 원자로 변하지 않고 계속 헬륨-4로 남아있고, 그 외에 방사성 동위원소에 의한 변화가 없었기 때문이다. 오늘날 우주에는 약 25%의 헬륨-4가 존재하는 것으로 호가인되는데, 이는 빅뱅이론의 중요한 근거가 된다.

빅뱅 핵 합성은 헬륨 외에도 약 1%의 중수소와 약간의 리튬과 베릴륨, 붕소를 생성하였지만, 이보다 더 무거운 탄소나 산사와 같은 원소는 만들지 못했다. 그 이유는 무거운 원소를 만들기 위해서는 더욱 고온의 상태가 필요했지만, 우주는 지속적인 팽창으로 인해 온도가 빠르게 내려가고 있었기 때문이다. 하지만 이유는 온도 뿐만 아니라, 가벼운 헬륨 핵이 무거운 원자핵으로 변환되기 위해서 거쳐야 할 중간단계의 원자핵이 생성되지 못했기 때문이다.

헬륨-4보다 무거운 원자핵을 만드는 가장 확실한 방법은 헬륨-4의 원자핵에 양성자나 중성자를 더해서 핵자 수가 5인 원자핵을 만드는 것이지만 이 원자핵은 불안정하여 실제 존재하지 않는다. 또 다른 방법은 헬륨-4 원자핵 2개가 서로 충돌해서 베릴륨을 만드는 것이지만, 이 역시 매우 불안정한 원자핵이였다. 가모프는 이러한 경로를 통해 핵 합성을 하는 것은 불가능하다고 결론지었다. 결국 빅뱅 핵 합성은 핵자 수가 5와 8인 원자핵 합성이 지제되어 탄소와 같은 무거운 원소를 생성하지 못하고 끝나버렸다. 핵자의 틈은 마치 가벼운 원소가 무거운 원소로 변환되는 것을 막고 있는 것 처럼 보였다.

아서 에딩턴은 빅뱅이론을 통해 우주 생성 초기에 만들어진 가벼운 원소들이 현재 현존하는 원소들로 어떻게 변환되었는지를 설명하기 위해서, "나는 별들이 가벼운 원소를 무거운 원소로 만드는 용광로라고 생각한다." 고 주장한 바 있다. 하지만 별들의 표면 온도는 수천K에 불과하고, 중심온도도 수천만 K에 불과하다. 이 정도의 온도는 수소를 헬륨으로 서서히 변환하는데는 충분하지만, 헬륨을 더 무거운 원소로 합성하기에는 부족하다. 탄소 합성을 위해서는 2억K, 규소를 합설하려면 15억K의 고온이 필요하기 때문이다. 또한 중원소들은 각각 합성온도가 달라서 각각에 적합한 독립된 용광로가 필요하다. 예를 들자면 탄소를 합성시킨 용광로에서는 네온을 합성하는 것은 불가능하다.

이러한 문제를 해결하기 위해 정상상태모델을 주장했던 프레드 호일은 여러 형태의 별을 분석하여 별들이 여러 단계를 거치는 동안의 일어나는 일을 연구했다. 별은 성간가스와 먼지들의 중력수축을 생성되는데, 중력수축으로 별의 중심온도가 상승해서 수소를 헬륨으로 변환하는 핵융합 반응이 시작되면 별의 중력수축은 중단된다. 핵융합 반응의 결과로 발생한 열이 복사선 형태로 방출되면서 열 팽창력이 중려과 함의 균형을 이루어 안정상태를 유지하기 때문이다.

호일은 이러한 힘의 균형이 깨질 때를 가정하여, 핵융합의 연로가 바닥나면 자연스레 별의 온도가 떨어질 것이고, 그로면 별의 중심에서 바깥으로 향하는 압력은 줄어들고, 중력에 의한 압력은 더욱 커져서 별은 다시 수축할 것이다. 별의 수축으로 별의 중심온도는 다시 상승하게 되고, 어느 시점에서 새로운 원자핵 반응을 유도하게 되면서 더 많은 열을 방출하여 일시적으로는 다시 평형상태를 이루게 될 것이다. 별의 핵원료가 고갈되면 별의 중심은 다시 냉각되어 수축하여 중심온도가 올라가 새로윤 핵합 반응을 유도하는 과정을 반복할 것이다. 

호일은 이런 식으로 별이 일생의 마지막 단계에서는 내부의 상태가 극적으로 변환되면서, 핵 융합에 필요한 조건을 스스로 갖출 것이라는 추측을 하였다. 즉 별은 모든 종류의 원소를 생산하는 용광로가 될 것이라고 생각했고, 호일은 우주론의 가장 큰 논란이였던 원자핵 합성문제에 대해 거의 완전한 해답을 찾아냈다.

이러한 상황에서 헬륨 핵을 탄소 핵으로 변환시키는 과정에 대한 문제는 아직 풀리지 않았는데, 입자물리학에서 여러 쌍의 헬륨 핵을 결합해서 만드는 원소는 불안정한 것으로 알려졌다. 호일 역시 가모프가 직면했던 문제와 동일한 문제를 만난 것이다. 헬륨-4로부터 탄소-12가 합성되는 방법은 두 가지로 생각할 수 있다. 하나는 2개의 헬륨이 융합하여 베릴륨-8을 형성한 다음, 헬륨-4를 추가로 더하는 것이고, 다른 하나는 3개의 헬륨 핵이 동시에 충돌하여 하나의 핵으로 합쳐지는 것이다. 후자는 3개의 핵이 동시에 충돌해야 하므로 일어날 확률이 거의 0이고, 전자는 베릴륨-8이 매우 불안정하므로 헬륨-4와 합성될 시간이 거의 없는 반면, 반응물인 베릴륨-8과 헬륨-4의 질량 합이 생성될 탄소-12의 질량보다 성당히 컸기 때문에, 남는 에너지를 방출할 충분한 시간이 필요하여 불가능하다고 생각되었다. 

이 문제의 해결을 위해 호일은 인류원리를 적용했다. 호일은 베릴륨-8과 헬륨-4를 합한 질량과 같은 들뜬 상태의 탄소가 존재하면, 이러한 반응이 가능할 것이라고 가정했다. 보통의 탄소에 에너지를 가해주면 들튼 상태의 탄소가 되고 아인슈타인의 질량-에너지 등가 원리에 따라 에너지는 질량과 동일하므로 들뜬 상태의 탄소는 더 큰 질량을 갖는다.

호일은 핵물리학자 윌리엄 파울러를 찾아 탄소의 들뜬 상태에 대한 조사를 부탁했고, 조사 결과 호일의 예측이 적중했다. 이리하여 헬륨이 베릴륨으로 변환되고 다시 탄소로 변환되는 과정이 알려졌다. 이 반응은 세개의 헬륨 원자핵이 탄소로 변환되므로 삼중 알파 과정이라고 알려져있다.