[우주저장소][스압]태양계 형성 시나리오에 대해 알아보자.

브금이 업로드가 안되는것 같다. 링크타고 들어가서 틀어놓고 읽는걸 추천할게.

지난 20세기 말 최초로 외계행성을 포착하는데 성공한 이후, '외계행성'이라는 주제는 그야말로 천문학자들에게는 마치 금맥을 만난 광부들과 같았어.

외계행성을 찾음으로써 '또다른 인류'를 찾을 수 있다는 희망과 동시에 우주에 우리 홀로 덩그러니 놓여있지 않다는 일종의 안도감을 대중들에게

선사할 수 있었지. 그래서 천문학계 연구비의 절반 정도는 바로 외계행성 찾기 라는 테마에서 지원된다고 해.

그만큼 외계행성이 유행이 되었고, 그만큼 화두에 오른 것이겠지? 

그런데 외계행성은 상당히 멀리 떨어져있고, 또한 그들의 크기는 일반적인 별들에 비해 그 크기도 수십 분의 1 수준이기 때문에 그들을 직접적으로 관측하여

연구하는건 사실상 불가능해.  그래서 우리는 우리 주변의 행성들을 연구함으로써 외계행성을 간접적으로 연구할 수밖에 없어.

하지만 그동안 천문학자들은 행성을 연구하는 일은 지질학자들이 해야하는 일이라며 뒷전으로 미루기 일쑤였고, 

지질학자들은 태양계의 행성을 연구하는게 무슨 우리들 일이냐면서 서로 미루었지.

그래서 우리는 사실 우주의 깊숙한 곳까지 상당부분을 알고 있지만 정작 태양계 자체에 대해선 아직 모르는 게 너무 많아. 등잔밑이 어둡다고 하지..

때문에 이러한 기본적인 이론부터 시작해서 소위 '행성과학'이라고 불리우는 학문을 연구하기 위해서는 먼저 태양계가 어떤 과정을 거쳐 태어나게 되었는지

알아봐야 해.

1. 이론이 만족해야하는 조건들

성공적인 이론은 그 이론으로부터 도출된 결과가 현재 상태를 그럴듯하게 묘사할 수 있어야만 해. 따라서 태양계 형성 이론을 세우기 위해선 이 이론으로부터

도출된 결과가 어떻게 현재의 결과를 이끌어냈는지를 설명할 수 있어야 하지.

가령 왜 8개의 행성들은 태양의 적도평면과 불과 1도의 오차범위 내에서 완벽한 동일평면상에 위치하여 공전하는가? 혹은 왜 모든 행성이 반시계 방향으로

공전하는가?

혹은 왜 태양계의 안쪽에는 지구형 행성이, 바깥에는 목성형 행성이 위치하게 되었는가? 왜 화성과 목성 사이에는 소행성대가 위치하는가?

등을 설명해야만 하지. 이 중 가장 그럴듯하다고 받아들여지는 이론은 Solar Nebula 가설이야. 즉 태양계가 원시성운에서 탄생했다는 내용이지.

2. 먼지구름으로부터 태양계의 탄생

고등학교 과학시간에 졸지 않았더라면 한 번쯤 들어봤을 이론이야. 바로 태양계가 성운에서 태어났다는 이론이지. 태초의 태양계가 위치했던 자리에는

Solar Nebula, 즉 성운이 자리잡고 있었고 이 성운이 어떤 자극(근처의 초신성 폭발 등등)을 받아 밀도불균형이 일어나 점차 수축하게 되었다는 내용이야.

초기 성운은 구형으로 산재해 있었다가 자극을 받아 이 성운 전체의 질량중심을 중심으로 모여들기 시작했으며, 구형의 모양은 각운동량 보존 법칙에

따라 원반 모양으로 바뀌었어. 사실 성운 자체가 전혀 회전을 하고있지 않았더라면 모든 물질들은 그대로 질량중심으로 모여들어 행성을

전혀 형성하지 않았을거야. 하지만 태양계에는 무려 8개의 행성과 셀 수 없이 많은 소행성이 있지? 그것으로 볼 때 초기 성운은 자체의 회전성분이

있었을 것이라고 예측할 수 있어. 여기서 구형 > 원반 과정이 이해되지 않는 게이들이 많을 거라고 생각하는데,

각운동량은 m*v*r 로 주어져. 여기서 m은 질량, v는 선속도(회전속도), r은 회전축으로부터의 거리를 나타내는 기호야.

이 보존법칙은 일종의 '고집'이라고 보면 돼. 즉 어떠한 물체가 자기의 상태를 계속 유지하려고 하는 성질이야. 따라서 각운동량 보존의 법칙은

각운동량이 변하지 않도록 하는 고집이라고 보면 돼. 즉 외력이 없을 때 mvr은 일정하다는 것이 각운동량 보존의 법칙이야.

그런데 자체 중력에 의해 수축하는 현상은 그 계 자체에서 일어나는 일이기 때문에 외력이 작용한 것은 아니야. 그렇기 때문에 각운동량 보존법칙이 작용해.

중력으로 인해 수축하게 되면 r이 줄어들겠지? 그래서 v는 증가하게 돼. 여기서 구형의 적도부분은 반지름 방향으로 수축하게 되는데,

r값이 줄어듦에 따라 v역시 같은 비율로 증가하게 돼. 그런데 선속도가 증가하면 원심력이 증가하는데, 그 크기는 r에 반비례하지만 v의 제곱에 비례해

그래서 이들은 수축하면 오히려 불안정해져. 때문에 거의 제자리에 있게 돼.

하지만 극쪽에 위치한 녀석들의 경우 질량중심으로 수축하게 되는데, 자전축에 수직한 방향으로 수축하는 게 아니기 때문에 

원심력과 중력의 방향이 정 반대방향이 아니게 돼. 따라서 입자들은 회전하면서 축의 적도방향으로 떨어지게 되는거지.

이 과정은 최소 수십만 년에 걸쳐 일어났을 것이라고 보고 있으며, 이렇게 해서 탄생한 원반을 원시 원반(protoplanetary disk)라고 불러.

이 원시 원반은 최근 관측기술의 발달로 다른 태양계를 관측함으로써 그것이 맞다는 것이 입증됐어. 

이로써 우리는 태양계 행성들의 공전궤도면이 거의 일치하고 왜 동일한 방향으로 도는 지 설명할 수 있게 됐어. 

그렇다면 이 원시 원반으로부터 어떻게 안쪽은 암석형 행성들이, 그리고 바깥쪽은 가스형 행성들이 만들어지게 될까?

3. 원시 행성의 형성

행성과 소행성을 비롯한 태양계 구성원들이 형성되는것을 이해하기 위해선 우리는 현재 차갑고 매우 낮은 압력 상태의 성운에 있다고 생각해야해.

이러한 상태에서 보통의 물질들은 고체나 기체 상태로 존재하겠지.

그런데 문제는 중심의 원시 태양이야. 원시 태양이 있던 자리는 질량중심이라고 보면 되는데, 물질들이 그곳을 향해 모여들었으니 당연히 온도는

상승하겠지? 그래서 당시 이 원시 태양 근처의 온도는 대략 2천도정도 했을 거라고 보고 있으며, 원반의 외곽은 영하 220도쯤 된다고 생각했어.

만약 태양 근처의 물질들이 있으면 높은 온도에 의해 대부분 승화되어 기체가 되겠지?(물론 금속은 그대로겠지만)

마찬가지로 디스크의 중간부분을 넘어가게 되면 온도가 현저하게 떨어져 이들은 대부분 고체상태로 존재하게 될 거야.

그 후 원시 태양이 최초로 빛을 발하게 되어 주변으로 강력한 태양풍을 발사하여 주변의 먼지를 날려버렸어. 이 중 높은 온도에 의해 기체로 상태가

변한 녀석들 중 가벼운 녀석, 가령 수소같은 원자들은 바깥으로 밀려나게 돼. 그리고 비교적 무거운 기체인 물이나 암모니아, 메탄 등은 어느정도

남아있게 되며, 무거운 금속성 원자들은 거의 제자리를 유지해. 

한편 현재의 화성과 목성 궤도 사이 바깥쪽은 온도가 170k 밑으로 떨어지게 되는데, 마침 이 온도는 당시 상태(낮은 기압과 170k의 온도)에서 

기체의 물이 얼음으로 승화되는 지점이야. 따라서 우리는 이 지점을 Snow line(Frost line), 즉 얼음선이라고 부르지.이 얼음선 바깥부분에서는 수증기가 모두

얼음으로 승화되며, 기체상태와는 달리 이들은 고체이기 때문에 다른 고체물질들과의 결합이 쉬워서(기체와 고체가 중력에 의해 결합될까?)

이들은 비교적 빠른속도로 뭉쳐 질량을 빠르게 늘려나가게 돼. 그래서 이 얼음선을 기준으로 바깥에 위치한 영역에서는 거대한 행성이 만들어질 수 있었지.

그들이 오늘날 목성, 토성, 천왕성, 해왕성이야.

또한 이런식의 설명은 왜 가스행성이 크고 암석행성이 작은지 어느정도 설명할 수 있었어. 암석형 행성은 주로 무거운 입자들로 구성되어 있어.

때문에 우주에서 그 비율이 상당히 희박해. 그러한 점은 태양계가 형성될 50억년 전에는 더 심했겠지? 때문에 이들로 구성된 암석형 행성은

그 크기가 당연히 작을 수밖에 없었던거야. 반면 수소와 헬륨은 우주에서 95퍼센트 이상을 차지하는 매우 풍부한 물질들이였기 때문에 성운 자체에서도

이들의 질량비가 엄청나게 컸었고, 그래서 가스형 행성들이 이렇게 커다란 거지. 이러한 식의 설명은 또한 태양이 왜 태양계 질량의 99.98%를 차지하는지

아주 그럴듯하게 설명해주고 있어.

내행성의 형성 과정

원시 원반이 형성된 후, 얼음선을 기준으로 안쪽에 위치한 먼지들은 서로 충돌하며 그 크기를 점차 부풀려나갔고, 이 과정은 수백만년동안 이어지면서

점차적으로 커다란 녀석들을 만들어내게 되지. 이렇게 만들어진 돌덩이들을 우리는 미행성체(planetesimals)라고 불러. 이들의 지름은 보통 수~수십km

정도로, 이정도 크기면 자체 중력으로 주변의 커다란 녀석도 끌어당길 수 있는 수준이지. 이들은 계속해서 충돌을 거듭하여 합쳐지기를 반복했고,

결국 원시행성(protoplanet)을 만들어 내. 이들의 크기는 대략적으로 달 크기 정도라고 보면 되는데, 이 원시행성이 수 차례 충돌을 거듭하여 만들어진게

결국 지구형 행성인 셈이지. 이 과정에서 원시 지구는 화성만한 크기의 또다른 원시행성과 비스듬히 부딪혀 우리의 친숙한 달을 만들어냈어.

충돌을 거듭할수록 충돌로 인한 열에너지와 자체적인 방사능 붕괴에너지로 인해 이러한 원시행성들은 뜨겁게 달궈졌고, 결국 녹아버렸어.

즉 용암덩어리가 된 셈인데, 이렇게 유체가 된 상태에선 밀도차이에 의해 무거운 것은 아래로 내려가고 가벼운 것은 위로 뜨는 현상이 일어나.

이 과정을 화학적 분화(chemical differentiation)이라고 불러.

화학적 분화과정

이렇게 설명을 하게 되면 왜 지구의 지각 밀도는 3.0g/cm^3인데 평균밀도는 5.5g/cm^3인지 그럴듯하게 설명할 수 있어.

한편, 얼음선을 기준으로 바깥쪽에 위치한 먼지들은 안쪽에 있는 녀석들과는 사뭇 다른 과정을 거치게 되는데,

학자들은 초기 목성형 행성의 형성은 지구형 행성들이 만들어지는 과정과 비슷한 경로를 따라갔다고 해. 하지만 여기서 차이점은 내행성들은

니켈과 마그네슘, 규소 등 무거운 원자들이 많이 분포해있는 반면, 외행성은 수소와 헬륨, 얼음 등 가벼운 녀석들로 구성돼 있다는 점이야.

물론 바깥쪽에서도 무거운 원자들이 있는건 당연해. 하지만 이들보다 수소와 헬륨같은 가벼운 원자들이 압도적으로 많았어.

실제로 목성의 질량을 살펴보면 무거운 입자들은 지구 질량의 10배쯤 차지하고 있지만 나머지 수소와 헬륨은 무려 300배나 차지하고 있지.

목성형 행성의 형성

이녀석들은 가볍기도 하지만 무엇보다도 그 양이 위에 무거운 원자들보다 압도적으로 많기 때문에 미행성체들은 엄청나게 빠른속도로 성장을 했고,

그 결과, 태양계의 구성원 중 가장먼저 목성이 만들어졌어. 그 이후 토성, 천왕성, 해왕성 순으로 행성들이 만들어졌지.

4. 목성의 접근

목성이 빠르게 커지면서 그 질량 역시 빠른속도로 증가했고, 이는 태양과 목성의 중력을 더 크게 만들게 되어 목성은 점차적으로 태양에 이끌리게 돼.

태양계 행성 중 목성이 가장먼저 태어났다고 언급했지? 즉 목성이 완전히 다 만들어졌을 때 내행성들은 이제 미행성체가 되어 막 성장을 하기 시작했어.

이 상태에서 목성이 안쪽으로 끌려들어가면 어떤 일이 발생할까?

답은 일게이들이 상상하는 그대로야. 목성의 엄청난 중력에 의해 미행성체들은 목성에게 잡아먹히거나 아예 궤도 바깥으로 튕겨져 나가버렸지.

이 과정에서 원시 행성들은 목성의 중력 때문에 엄청난 소행성 폭격을 맞게 되는데, 이를 Late heavy Bombardment라고 불러.

굳이 번역하면 후기 운석 대폭격기 정도 될 것 같아. 달의 뒷면에 있는 커다란 크레이터들은 다 이 시기에 만들어졌을 것으로 보고 있어.

목성은 이 미행성체들을 튕겨내버리고 흡수하기도 했지만 무엇보다 그들을 자극시켜 더욱 빠른속도로 행성이 자라나도록 도와줬어.

이들의 중력은 목성이 태양으로 더 접근하는 것을 막아냈어. 게다가 목성이 튕겨내버린 미행성체 역시 목성을 잡아당기게 되어, 결국 목성은

다시 제자리로 돌아가게 됐지. 이때 목성은 5AU에서 당시 화성이 위치한 1.5AU정도까지 접근했다고 보고있어.

영상에는 안나와있지만 목성이 밀려나게 되자 목성 뒤에서 늦게 탄생한 토성, 천왕성, 해왕성들 역시 뒤로 밀려나게 돼. 

이렇게 밀려났기 때문에 외행성들의 행성간 거리가 엄청나게 큰거야.

위의 영상은 임의의 거대 질량체를 가져다 놓고 컴퓨터 시뮬레이션을 돌린건데, 거대질량체가 접근함에따라 안쪽에 있던 미행성체들이 튕겨져나감을

확인할 수 있을거야.

목성이 소행성대로 접근하면서 튕겨내버린 미행성체들은 오늘날 카이퍼벨트(Kuiper belt)를 구성하는 천체들과 오르트 성운을 구성하는 혜성이 됐어.

이렇게 목성이 안쪽으로 이동한 모델을 우리는 Grand Tack Model이라고 불러.

5. 결론

위의 일련의 네 단계가 천문학계에서 받아들여지는 가장 최신의 이론이야. 겉으로 보기엔 그럴듯하지만 우리가 타임머신을 타고 과거로 가지 않는 이상

그것을 검증하는 것은 불가능하기 때문에 이론으로 남아있지. 그래도 이 이론을 다른 태양계에 적용하여 비슷한 과정이 일어나면 모두가 인정하는

이론이 될 거야. 그런데 문제는 이 과정이 수백만년에 걸쳐 일어나기 때문에 제대로 검증하기가 힘들다는 거지.

요약을 하자면 다음과 같아.

1) 태양계가 위치한 자리는 태초에 거대한 성운이었다.

2) 알 수 없는 자극에 의해 성운이 질량중심을 중심으로 수축하게 되고

3) 이들이 회전을 하면서 디스크 모양으로 변해갔으며,

4) 이 먼지들은 서로 충돌을 하여 미행성체를 만들었고

5) 이들이 합쳐져 오늘날 8개의 행성과 무수히 많은 소행성, 혜성이 되었다.

긴 글 읽어줘서 고맙다. 

참고

내용참고 : Universe, Roger A Freedman, William J. Kaufmann 3, 10th edition 205~213p

https://en.wikipedia.org/wiki/Jumping-Jupiter_scenario