태양계 기원설

[白山 김기수]

밤하늘을 처음 바라보면 수많은 별들 사이에서 행성들을 찾기는 쉽지 않다. 하지만 밤하늘을 자주 보다 보면 몇몇 눈에 띄는 천체들을 찾을 수 있다. 이 천체들은 다른 별들에 비해 밝은 편이며, 매일 밤 조금씩 이동을 하고 있다. 그리고 이동하는 길은 태양이 지나가는 길과 비슷하다. 이들이 바로 행성이다.

전등도, TV도, 인터넷도 없던 고대인에게 밤하늘의 별은 자주 쳐다볼 수 밖에 없는 존재였다. 따라서 행성들은 일찍이 사람들에게 알려졌다. 고대 그리스 시대에 이미 지구를 중심으로 천체가 돌고 있다는 천동설이 확립되었다. 하지만 천동설은 행성의 역행과 같은 특이한 현상을 설명하기는 어려웠고, 17세기가 되어서 코페르니쿠스(Copernicus)의 태양 중심설이 나왔다. 그리고 비슷한 시기에 케플러(Kepler)와 갈릴레이(Galilei)가 태양계의 중심은 지구가 아니며 지구는 태양의 주위를 돈다는 지동설을 주장하기 시작했다. 이 지동설이 나오면서 대략적인 태양계의 모습이 알려졌다. 그리고 자연스럽게 ‘태양계가 어떻게 생겨났을까?’라는 질문이 떠올랐다.

 

태양계의 초기의 모습을 보여주는 원시행성계원반(Protoplanetary disk)의 상상도. <출처: (cc) ESO> 

태양계의 기원설

태양계의 기원에 대해 지금까지 많은 설이 나왔다. 이것을 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 첫째는 태양의 탄생과 진화 과정에서 형성된 것이란 주장으로 성운설과 전자설, 난류설 등이 이에 해당한다. 둘째는 태양과 다른 천체가 우연히 만나거나, 혹은 충돌과 같은 우연적인 사건으로 생겼다는 설로 소행성설, 조석설, 쌍성설 등이 있다. 참고로 태양계 기원설은 주로 행성이 어떻게 생겼는지에 연구가 집중된다는 점에 주의하도록 하자. 왜냐하면 태양의 탄생 자체는 행성의 생성에 비해서는 비교적 이해하기 쉽기 때문이다(네이버캐스트 [별의탄생]편 참고 ).

성운설

1755년 독일의 철학자 칸트(Kant)가 주장한 설을 1796년 라플라스(Laplace)가 수정한 것으로, 이 이론에 따르면 태양계는 천천히 자전하는 고온의 가스덩어리에서 시작한다. 이 가스덩어리는 식으면서 수축하고, 수축함으로써 자전이 빨라지며 적도부에서 물질을 원반모양으로 방출하였다. 그리고 남은 물질은 계속 수축하고 또 원반모양으로 물질을 방출하였다. 이러한 과정을 몇 번 반복한 후 마지막에 남은 덩어리가 태양이 되고 방출한 물질들은 각자 하나로 합쳐져 행성이 되었다는 설이다. 하지만 이 설은 ‘각운동량의 문제’가 있었다. 태양의 느린 자전으로는 다른 행성의 공전속도를 설명할 수 없다는 것이다.

전자설

1942~46년 알벤(Alfven)은 태양의 자기장을 근거로 한 기원설을 발표하였다. 과거 태양 주위는 비어있었으나, 어느 때 고체 미립자로 된 소규모 우주구름과 만났고, 태양의 자기장과 중력에 의해 그 일부를 붙잡아 달과 화성을 만들었다. 그 후 가스로 만들어진 우주구름과 만나 그 일부를 전과 마찬가지로 붙잡아 목성, 토성, 천왕성, 해왕성과 몇 개의 위성을 만들었다. 후에 고체입자로 된 대규모 우주구름과 만났을 때 거기서 수성, 금성, 지구와 남은 위성을 만들었다는 설이다.

난류설

1944년 바이츠제커(Weizsacker)가 발표한 것으로, 초창기 태양은 수소와 헬륨 등을 주성분으로 한 가스 원반에 둘러싸여 있었다. 이 원반은 천천히 자전하나 내부에 난류가 있기 때문에 자전이 모두 같지 않았다. 때문에 군데군데 소용돌이가 생긴다. 소용돌이와 소용돌이 사이에 물질이 모여 작은 덩어리를 만들고, 이것들이 합쳐져 행성이 되었다는 설이다.

원시의 행성이 항성 주변의 물질을 휩쓸며 고리를 만드는 상상도.

행성 생성 초기에 미행성(planetesimal, 행성의 씨앗이 되는 작은 천체)들의 충돌이 일어나는 상상도.

소행성설

1900년 챔벌린(Chamberlin)이 주장하고 후에 몰튼(Moulton)이 수정한 것으로, 과거 태양 주위는 비어있었으나, 어느 시기에 한 항성과 지나치면서 그 인력의 영향을 받아 물질을 분출했다. 이 물질은 분출된 후에 바로 굳어져 미립자(소행성)가 되어 태양 주위를 돌게 되고 결국 합쳐져 행성이 됐다는 설이다.

조석설

1916년 진즈(Jeans)가 주장하고 후에 제프리(Jeffrey)가 수정한 것으로 이 설의 전반부는 소행성설과 같고 분출된 물질은 띠 형상으로 유출, 항성의 인력은 최대 접근 시에 가장 강해지기 때문에 분출물질도 양 끝이 가늘고 중앙이 두꺼워진다. 행성은 이 띠 형상의 분출물이 떨어져 생겼다는 설이다. 조석설은 태양계의 여러 가지 점을 설명할 수 있는 점에서 한 때 유력시되었으나 역시 각운동량의 문제가 있었다. 또한 최근의 연구로 태양에서 떨어져 나온 고온의 물질로는 행성 정도의 물질덩어리가 직접적으로 만들어질 수 없다는 것이 증명되었다.

쌍성설

1934년 러셀(Russell)이 주장하고 리틀턴이 완성한 것으로, 태양은 초창기에 쌍성이었다. 어느 날 다른 항성이 다른 별 근처를 지나가다 두 별 사이에 조석설과 같은 현상이 일어났다. 두 별 모두 상호의 인력으로 튕겨져 태양에서 멀어지고 남은 띠 형상 물질이 태양 주위에 남아 행성이 생겼다는 설이다. 이 설도 조석설과 같은 결점이 있다. 이 설을 마지막으로 태양계 기원설은 고온의 물질이 아닌 저온의 물질로 형성되었다고 생각하게 되었다.

슈미트의 설

1944년 슈미트(Schmidt)가 발표한 설로 과거 태양 주위는 비어있었으나, 어느 때 우주먼지구름과 만나 그 일부를 잡아다 자기 주변에 태양성운을 만들었다. 이 성운에서 먼지입자가 서로 충돌하여 성장하고 이윽고 행성이 되었다는 설이다.

휘플의 설

1947년 휘플도 우주구름에 의거한 기원설을 제창하였다. 우주 어느 곳에나 고체입자와 가스로 된 우주구름이 있다는 휘플의 설에 의하면 이들 우주구름은 자체중력과 주위 항성으로부터 받는 광압에 의해 수축을 시작하고, 수축함에 따라 밀도는 커지고 고체입자는 충돌하여 합체하고 성장한다. 이러한 작은 덩어리들 중 중심부에 생긴 것은 더욱 크게 성장하여 태양이 되고, 다른 것은 행성이 되었다는 설이다.

호일의 설

1955년 호일(Hoyle)은 성운설과 비슷한 기원설을 발표하였다. 천천히 자전하는 우주구름이 수축하면 자전이 빨라지기 때문에 적도부에서는 원심력이 커지고, 어느 단계에 달하면 그 때문에 적도부에서 물질이 고리 모양으로 이탈한다. 이탈한 그 물질의 총량은 우주구름 질량의 약 1/100, 이탈한 시기는 우주구름이 원래 크기보다 약 10만분의 1로 축소하여, 현재의 수성 궤도의 크기 정도가 되었을 때 일어난다. 우주구름이 자전하면 할수록 고리 모양 물질도 떨어져나가 우주구름에서 점점 멀어지고 온도는 점점 떨어져 뭉쳐지기 쉬운 물질부터 뭉쳐져서 남겨진다. 행성은 이러한 물질로부터 생긴 한편, 남은 우주구름 중심부는 고리형태 물질을 잃음으로써 자전에너지를 잃고, 그대로 수축하여 태양이 되었다는 설이다.

화가자리 베타별 주변의 고리. 원시행성계원반으로 추정된다. 이런 발견들이 성운설 부활의 계기가 되었다.

허블 망원경이 찍은 오리온 성운 근처의 항성들. 항성들 주변에 가스와 먼지가 관측된다. 이들은 원시행성계원반의 가능성이 있다.

태양계의 탄생과 진화

태양계는 약 46억 년 전에 시작되었다고 추정된다. 태양계 형성에 관한 여러 가지 이론 중 가장 널리 인정 받는 것은 최초로 나온 설인 성운설이다. 성운설은 한 때 폐기되었으나, 20세기 후반, 특히 1970년대를 거치면서 이론적으로 발전을 이루었고, 1980년대 초 화가자리 베타별(Beta Pictoris) 등 먼지 원판에 둘러싸여 있는 젊은 별들이 실제로 발견되고, 적외선 위성인 IRAS의 관측에서 별을 둘러싼 원반이 다수 존재한다는 관측 자료가 나오면서 되면서 다시 유력한 학설이 되었다. 그러나 성운설에도 여전히 미해결 문제가 남아 있으며, 이의 해결을 위해서는 더 많은 관측 자료의 축적과 분석이 필요하다.

성운설은 태양계의 생성을 대략 이렇게 설명한다. 우리 은하의 나선 팔에서 먼지와 가스로 이루어진 구름이 중력붕괴를 일으키고, 이 구름들은 수축을 계속한다. 수축이 진행되면서 회전 속도가 빨라져 구름들은 원반 형태를 갖추게 된다. 수축이 어느 상태에 도달하면 중심부의 온도와 밀도가 높아져서 핵융합 반응을 일으키게 된다. 그 수축된 질량의 대부분이 모여 태양을 형성하고, 남은 것은 편평한 원시 태양계 원반을 형성하여 여기서 행성, 위성, 소행성과 그 밖의 태양계 소천체 등이 생겼다.

태양계의 시작과 종말을 시간 순으로 담은 그림. 단, 그림에서 태양의 크기는 정확하지 않다.
적색거성이 된 태양은 현재보다 지름이 200배에 달하여 지구 공전 궤도의 2배 가량이 될 것으로 예측된다. 

태양계의 종말

태양계는 초기의 모습에서 점점 진화해왔다. 가스나 우주먼지가 행성의 중력에 붙잡혀 위성이 탄생했으며, 천체끼리의 충돌도 계속되어 태양계 진화의 원동력이 되고 있다. 앞으로 태양은 적색거성의 단계를 거쳐 바깥층은 떨어져나가 행성상 성운이 되고, 중심부는 수축하여 백색왜성이 되리라 예상된다. 백색왜성이 된 태양은 행성들을 잡아 둘 수 있는 힘을 잃게 되어 태양계에는 태양 홀로 외로이 남아있게 될 것이다.

글·자료제공 한국천문연구원 /   

[白山 김기수]

태양은 별이므로 모든 별이 각자가 가지고 있는 질량에 따라서 수명의 길이와 종말의 방식이 결정됩니다.
태양 질량은 백색 왜성으로 끝이 날 겁니다...^^