태양계 탄생

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<태양계 탄생>

우리의 우주의 나이가 약 138억 년으로 추정하는데 이 장구한 기간 동안 수많은 별들이 탄생하고 소멸되었다. 그렇다면 우리의 태양계는 언제 태어났는지 궁금하지 않을 수 없다.

태양계가 어떻게 형성되게 되었을까는 인간들이 오래전부터 가져왔던 질문이다. 이 질문에 답하기 위해 여러 가지 가설들이 제기되어 있는데 이 말은 아직도 완벽한 정답이 만들어지지 않았다는 것을 의미한다.

태양계가 어떻게 생성되었느냐에 대한 정답이 완벽하게 제시되지는 않았지만 그동안 태양계 생성 요인으로 제시된 것은 다음과 같다.

 

① 성운설

성운설(Kant-Laplace nebular hypothesis)은 태양계의 생성을 처음으로 과학적으로 설명한 학설로 독일의 철학자 이먀뉴엘 칸트가 1755년 태양과 그 주위행성들은 회전하는 하나의 성운에서 동시에 생긴 것이라는 견해를 처음으로 발표하였다.

이먀뉴엘 칸트(1724~1804)

그 후 프랑스의 수학자 M.S.라플라스가 1796년 이 학설을 이어받아 칸트-라플라스의 성운설로 불린다.

M.S.라플라스(1749~1827)

이 학설에 따르면 원시 태양계는 매우 천천히 회전하는 거대한 구형의 뜨거운 가스의 성운이었다. 이것이 점차 냉각되고, 중력에 의해 중심방향으로 수축하기 시작했고, 수축이 진행됨에 따라 그 회전속도가 더욱 빨라져 원심력이 강하게 작용하게 되고, 성운은 넓게 퍼져 마침내 원반상으로 되었다. 이 때 원반상 주위의 원심력은 중력과 균형을 잘 이루는데 성운이 중심방향으로 수축할 때마다 주위는 고리를 이루면서 물질이 떨어져 나온다. 이러한 과정이 여러 차례 반복되어, 이윽고 원시태양계는 중심성운과 그것을 둘러싸고 있는 몇 개의 고리 모양의 가스덩어리가 된 다음, 다시 냉각된다. 이때 중심부의 성운은 태양이 되고, 떨어져 나간 고리 모양의 가스덩어리는 제각기 하나로 뭉쳐서 원시행성을 만들어 태양주위를 공전하게 되었다는 것이다.

근처의 젊은 별을 둘러싼 먼지 원반을 더 자세히 살펴보기

이와 유사한 과정이 행성의 생성과정에서도 일어나 자체 위성계가 생겨났다. 그러므로 소행성군은 가스덩어리가 하나로 뭉쳐지지 못한 경우이며 토성과 같은 행성의 고리도 원시 행성의 주위에서 가스덩어리가 뭉쳐지지 못하고 남은 것이라고 설명했다.

이와 같은 학설은 태양계의 형성에 관해서 특히 행성들의 동일 평면상에서의 운동, 공전방향과 태양의 자전방향과의 일치 등을 잘 설명할 수 있고, 위성계에 대해서도 마찬가지로 설명할 수 있다는 데서 오랫동안 많은 학자들의 지지를 받아왔다.

회전계에서 힘 (F)과 돌림힘 (τ), 그리고 운동량 벡터들 (p 와 L)의 관계

하지만 보다 진전된 연구에 따라 목성이나 토성의 역행위성이 발견되어 이 설의 모순이 드러났고 더욱 치명적인 결함으로 각운동량 해석에서 의문이 제기되었다. 만일 태양계가 회전하는 하나의 가스덩어리에서 생긴 것이라면 중심성운인 태양의 자전속도와 행성의 공전속도 사이에 일정한 관계가 있어야 하는데 행성의 공전속도에 비해 태양의 자전속도가 너무 느렸던 것이었다. 이를 역으로 말하면 행성의 공전 각운동량이 태양자전의 각운동량에 비해서 극히 크다는 점이다. 그러므로 일부 학자들이 이를 보완하기 위해 쌍성설 등을 제시했지만 이 설들 역시 또 다른 결함을 안고 있으므로 인정되지 않았다.

 

② 조우설(미행성설)

1901년 T.C.체임벌린과 1905년 F.R.몰턴이 제안한 학설로, 처음에 태양은 행성을 거느리지 않은 별이었는데 우연히 태양근처를 통과하는 별이 있어서 두 별사이에 조석력이 작용하여 태양의 내부에서 많은 가스가 분출되었고, 이 가스가 태양계의 맨 바깥까지 퍼졌다는 것이다.

처음에 퍼진 가스는 나선모양을 하고 있었다가 곧바로 냉각되어 액체모양의 물방울과 우주진과 같은 고체입자가 되었다. 이들은 차츰 모이기 시작했고 큰 덩어리는 작은 덩어리를 흡수하여 소규모의 미행성이 만들어지고, 다시 미행성들이 모여서 행성이 되었다는 설이다.

이 학설은 나선모양의 성운을 모델로 하고 있는데 학자들은 나선 성운이야말로 태양계의 옛모습이라고 생각했다. 비록 태양이 천천히 자전하고 있어도 근처를 통과하는 별의 속도가 빠르면 물질의 빠른 분출이 이루어져 행성은 태양주위를 빨리 공전할 수 있다고 생각한 것이다.

이 학설은 20세기 전반 많은 학자들의 지지를 받았는데 이 역시 문제점이 발견되었다. 이 경우 태양에 끌어 당겨진 작은 물질은 뭉쳐서 행성이 되지 않고 곧바로 우주공간으로 흩어지든가 아니면 다시 태양에 끌어당겨진다는 것이 밝혀진 것이다. 더구나 두 개의 별이 서로 그렇게 접근할 가능성도 매우 작아서 100억년의 은하계 역사 중에 한 번 있을까 말까한 확률로 우리가 살고 있는 지구가 그런 우연한 기회에 생겼다고 단정할 수 없다는 지적이다.

제임스 호프우드 진스(1877~1946)

이 설은 후에 J.H.진스의 조석설의 모체가 되었다.

 

③ 신성운설(난류와동설)

난류와동설은 독일의 폰 바이츠체크가 제기하고 미국의 카이퍼에 의해 발전된 학설이다.

제러드 카이퍼(1905~1973)

이 학설에 의하면 지금으로부터 약 45억년 전 태양계가 탄생했을 때, 이미 은하계는 현재와 같은 모습으로 우주공간에 존재하고 있었다. 그 은하계의 어떤 별과 별 사이에 가스와 우주진이 특히 많이 모인 곳이 생기고, 그것이 나중에는 밀도가 높은 자욱한 검은 구름 같은 모양으로 성장하였다. 이 가스와 우주진의 검은 덩어리는 몇 개의 둥근 덩어리로 나뉘어 그 중의 하나가 태양계로 전환되었다는 것이다.

이 둥근 덩어리는 처음에는 얼음과 같은 고체입자와 차가운 가스의 집합으로 온도가 매우 낮았다. 그런데 언제부터인가 천천히 회전하기 시작했고 중력의 작용으로 작게 오므라들자 회전속도도 빨라져 원반상이 되었다. 가스나 우주진의 대부분은 중심에 모였고 나머지 가스와 우주진은 원반 모양으로 그 주위를 둘러싸고 있었다. 이윽고 이 원반상에 많은 소용돌이가 생겼고 그 중에서 큰 소용돌이는 작은 소용돌이를 흡수하여 점점 커지게 되었다.

이것이 마지막에는 몇 개의 소용돌이로 정리되어 마침내 현재의 행성을 형성하게 되었다는 것이다. 이것이 원시행성인데 이 원시행성은 처음에는 많은 얼음덩어리로 이루어져 있었고 수소와 헬륨과 같은 기체와 금속이나 규산염같은 고체가 모인 아주 차가운 물체였다. 이 원시 행성에서 수소와 헬륨과 같은 가벼운 원소가 계속 빠져 달아나고 남아 있던 금속이나 규산염이 작게 굳어져 생긴 것이 지구형 행성이고, 목성형 행성들은 커서 가벼운 기체를 당길 수 있었기 때문에 원시행성의 성분을 거의 그대로 갖추고 있다.

이들 행성이 빠져 나간 중심의 큰 가스덩어리와 우주진의 집합은 중력의 영향으로 수축하기 시작했고 그 온도가 계속 높아져 밝게 빛나는 태양이 되었다. 태양열은 화성궤도까지 닿아 지구형 행성들을 데웠고 그 결과 지구형 행성의 얼음은 대부분 증발하여 우주공간으로 날아갔다.

행성의 위성들도 원시성운에서 태양계로 진화된 것과 비슷한 과정으로 생겨났다. 원반상의 원시 행성안에 밀도가 높은 곳이 여러 군데 생기고 이것들이 각각 하나로 정리되어 위성이 되었다. 그리고 중심의 큰 덩어리는 수축하여 행성이 되었다는 것이다.

위성 중 바깥쪽의 궤도를 돌고 있던 위성은 행성의 인력에서 벗어나 화성과 목성 사이에 모였고, 소행성의 무리를 이루었다. 그리고 혜성은 태양계를 이룬 원시 성운의 제일 바깥쪽에 있는 차거운 얼음과 광물이 모여서 생긴 것으로 밀도가 작아 행성이 되지 못했다고 설명된다.

 

④ 포베다 설

성간기체로부터 별이 탄생하면 초기의 젊은 별은 방대한 플라스마(고도로 이온화한 기체)의 대기에 싸여 있으며, 또 극히 빠른 자전속도(적도에서 매초 50∼500 km)를 가지고 있음이 일반적 관측사실로 밝혀졌다. 더욱이 우주공간, 특히 성간운 주변에는 자기장이 존재하는 사실도 잘 알려졌지만 별의 플라스마나 별 둘레의 대기나 성간기체에는 전자기유체역학에 의하면 자기장이 동결되어 있고, 이 자기장은 별에서 대기로, 그리고 또 그 바깥쪽으로 각운동량을 전달한다. 이런 과정으로 별은 각운동량을 잃고 자전속도는 감소한다.

이것을 태양계에 적용해 보면, 현재의 전행성의 각운동량을 태양이 처음에 가지고 있었다고 생각할 때, 태양의 적도상의 자전속도는 매초 370 km(현재 매초 2 km)로 되어, 젊은 고온의 별들에서 관측되고 있는 회전속도와 같게 된다. 또, 행성 자전축과 위성의 공전축이 행성의 공전축에 평행인 사실은 부분적인 소용돌이가 생겼다고 생각해서 설명이 된다.

폰 바이츠체크(1912~2007)

그러나 보데의 법칙은 이 설만으로 설명할 수는 없으므로 C.F.바이츠제커의 다중구조의 소용돌이의 이론을 도입했다.

학자들은 포베다의 이론이 옳다면, 태양계 이외에도 유사한 천체계가 다수 존재할 가능성이 있다. 현재 학자들은 태양의 나이를 약 50억 년으로 추정하므로 지구의 나이를 45억 년으로 추정하는 것에 모순이 생각지 않는다. 그러므로 태양계에 속한 다른 행성의 나이도 대략 40∼50억 년으로 추정되고 있다

오리온성운에 있는 원시 행성계 원반 사진. 이곳은 우리 태양이 생겨난 원시 성운과 매우 유사한 곳으로 별들이 태어나는 ‘육아실’이라고 할 수 있다

이들 가설 중 어느 것이 정확하느냐는 아직 정해지지 않았지만 대체적인 태양계 형성의 시나리오는 다음과 같다. 태양은 약 45억 6천만 년 전 가스 물질로부터 생성되었으며, 이 가스 구름의 대부분은 수축하여 원시 태양을 형성하였고 나머지 물질들은 응축하여 수축하는 원시 태양 주위의 원반을 형성하였다. 또 이 엷은 가스와 먼지구름이 응축을 하면서 소용돌이를 일으키고 중심에서 태양이 탄생하여 빛을 내기 시작하였다. 주위의 회전 원반으로부터 미행성이 자라나고(지름 10 km), 수많은 미행성들이 서로 충돌하고 합체하여 큰 행성(무거운 물질은 중심으로, 가벼운 물질은 표면으로)을 이루어 갔다.

태양계 성운은 수소나 헬륨 같은 가벼운 원소만으로 이루어진 것이 아니고, 무거운 원소들도 섞여 있었는데, 이것은 태양이 태어나기 전에 존재했던 태양보다 훨씬 큰 질량을 가진 1세대의 별에서 생성된 무거운 원소와 가스가 초신성 폭발을 일으켜 성간공간에 흩어진 것으로 추정한다. 그리고 태양도 처음에는 다른 별들과 함께 태어난 것으로 생각되지만 크기가 서로 달라 아주 큰 별은 빨리 진화하여 초신성 폭발 등을 거쳤으며 반면에 태양은 비교적 서서히 수축을 계속해 오늘에 이르렀다는 것이다.

 

<태양계의 연속>

과학자들이 지구의 나이를 45억 년으로 추정하고 앞으로도 50억 년은 현재와 같이 계속 불 탈 것으로 생각한다. 현 우주가 앞으로 280억 년 후 소멸될지 모른다고 추정하지만 50억 년도 엄청나게 장구한 시간임은 물론이다.

그런데 태양이 존속할 것으로 보이는 50억 년 동안 정말로 태양계가 안정한 것인지 의문이 아닐 수 없다. 즉 언제까지 현재의 궤도운동이나 행성의 형태를 유지할 수 있는가이다.

이 질문에 관한 한 정답이 있을 리 없다. 넌센스 코미디와 같지만 아직 이를 경험한 사람이 없기 때문이다. 한마디로 이에 대한 결론을 함부로 내릴 수 있는 것은 아니다. 그러나 태양의 진화 또는 행성 내부구조의 변화로 인한 것을 제외하고 오로지 역학적인 관점에서만 고려한다면 어느 정도 유추할 빌미는 생긴다.

먼저 궤도의 안정성 문제를 생각해보자. 행성에 작용하는 힘이 태양의 인력뿐이라면 행성은 영원히 타원운동을 하겠지만, 다른 행성이 있음으로 인해 그 인력 때문에 타원궤도를 벗어나서 최악의 경우 태양으로 떨어져 들어가거나, 반대로 태양계 밖으로 방출될 수도 있다.

이 문제의 엄밀한 해답은 천체역학의 다체(多體) 문제가 풀려야 가능하지만 영년섭동론(永年攝動論)으로 이를 추정할 수 있다. 다소 어려운 이야기이지만 이에 의하면, 행성의 이심률은 행성의 질량이 극도로 작지 않는 한, 즉 영년변화가 없으며 (라플라스의 적분으로부터의 결론), 또 궤도긴반지름은 영년변화를 하지 않는다는 것이다. 그런데 학자들은 지구의 50억 년 전체에 대해서는 확신할 수 없지만 적어도 1억 년의 시간 동안은 태양계의 궤도가 안정하다고 추정한다.

목성의 조석력에 의해 찢어져 여러 조각으로 박살난 슈메이커-레비 제9 혜성.

다음은 행성 본체의 안정성이다. 일반적으로 질량 M인 천체의 근방에 이보다 질량이 작은 제2의 천체(질량 M')가 접근하면, 제1의 천체의 조석력(潮汐力) 때문에 어느 한계 이내에서는 제2의 천체가 깨어진다고 설명한다. 이 한계를 ‘로슈(Roche)한계’라고 한다.

로슈 한계의 유도

행성 상호간에, 또는 행성과 위성이 로슈 한계 안으로 가까워질 수 있는지 아닌지는, 궤도긴반지름의 안정성에서 일반적으로 일어날 수 없다고 생각되지만, 접근의 가능성이 있는 특별한 예외의 경우가 있다. 그것은 달의 경우인데, 달이 일으키는 지구해양의 조류(潮流)가 지각과 마찰하고, 그 결과 달의 각운동량이 지구자전으로 옮겨가서 총각운동량이 보존되기 때문에 달은 지구로 접근한다. 그러므로 로슈 한계를 넘어설 가능성이 없다고 말한다.

보이저 2호가 본 고리에 드리운 토성의 그림자. 네 개의 위성과 고리의 테가 보인다

또 다른 예는 토성의 고리이다. 학자들은 토성의 안쪽반지름은 로슈 한계 내에 있는데 위성이 깨어져서 고리가 된 것으로도 추정한다. 최근 우주선의 목성 접근을 통해 목성에도 토성과 같은 고리가 존재한다는 것이 밝혀졌으며 또한 화성과 목성 사이의 공간에 수많이 흩어져 있는 소행성도 화성 밖을 돌던 행성이 목성의 로슈 한계 안으로 들어가 깨어져서 조각난 것으로 추정한다.

학자들의 노력은 그야말로 대단한데 결론을 먼저 말한다면 적어도 앞으로 1억 년은 태양계가 현재와 같이 안정한 상태를 유지할 것으로 추정한다. 적어도 현재 지구에 살고 있는 인간들의 단위는 아니므로 태양계의 장래에 대해 앞서 판단할 일은 아니다.