태양계의 생성

태양계의 생성

1. 개요

우리의 태양계는 언제 어떻게 생기게 되었으며 오늘날 까지 어떠한 진화의 역사를 거쳐왔을까? 이 문제는 우주 전체로 보면 매우 작은 사건에 지나지 않지만 우리 태양계 입장에서는 꽤 흥미로우면서도 우리의 먼 미래와 직결되는 일이 아닐 수 없다.

태양계의 생성론은 태양계의 기원을 연구하는 천문학의 한 분야이다.

태양계 기원에 관한 이론이 처음으로 등장한 것은 1755년 칸트가 제안한 성운설이다. 칸트의 성운설은 회전하는 가스 성운 속에서 태양과 행성들이 생성되었다는 것으로 오늘날 태양계 기원론과 기본 생각이 놀라울 정도로 비슷하다. 성운설로는 태양계의 특징 중 첫째, 행성들의 공전 궤도면이 거의 일치한다. 둘째, 모든 행성의 공전 방향이 태양의 자전 방향과 같다. 셋째, 행성과 태양의 생성 시기가 비슷하다. 넷째, 행성 중 지구형 행성과 목성형 행성의 구성 물질이 다르다. 등을 설명할 수 있다. 그러나 성운설의 가장 큰 문제점은 태양계의 각운동량 분포를 설명할 수 없다는데 있다. 이러한 성운설의 문제점을 해결하기 위하여 진스는 질량이 큰 별이 태양 가까이 지나갈 때 작용한 강한 조석력으로 태양에서 물질들이 끌려나와 행성들이 되었다는 조석설을 제안하였다. 그러나 태양으로부터 유출된 대부분의 물질은 태양 둘레 궤도에 머물러 있기 보다는 지나는 별에 끌려가게 된다. 또한 유출된 물질이 행성을 형성할 뚜렷한 이유가 없고, 게다가 근접 충돌의 가능성이 극히 드물다는 것이다.

이러한 문제점들을 개선한 태양계 생성이론이 1940년대에 들어와 제시되었다.

태양계가 생성된 성운은 중력에 의해 수축을 하면서 중심에 태양이, 그리고 바깥쪽에 행성을 이루게 될 조각들인 미행성체가 생성 되었다. 이 미행성체들은 충돌에 의해 조각나기도 하였지만 중력에 의해 성장하기도 하였다.

원시태양 중심에서 약 4AU 거리보다 먼 곳은 수소나 헬륨 같은 휘발성 기체를 응결 시킬 만큼 온도가 낮았다. 태양계가 형성된 성운의 98.2%는 수소와 헬륨으로 되어 있으므로 지구 질량의 10배에 해당하는 목성형 행성인 4개의 거대 행성들(목성, 토성, 천왕성, 해왕성)이 생성될 수 있었다. 이들 거대 행성들은 다시 소규모이긴 하지만 주위에 분포된 기체로부터 자신의 회전 원판을 만들고 여기서 위성들이 생성되었다.

원시태양 중심에서 약 4AU 거리 안쪽에서는 얼음이나 수소나 헬륨 같은 휘발성 기체를 응결 시킬 만큼 온도가 내려가지 않아 미행성체들은 주로 규산염 광물과 금속으로 이루어지게 되었다. (실제로 태양에 가까이 있는 수성이나 금성에는 수소나 헬륨 같은 휘발성 기체는 거의 분포하지 않는다) 태양계가 형성된 성운 내에 이러한 물질은 0.4% 밖에 존재하지 않았으므로 원시태양 중심에서 약 4AU 거리 안쪽에 있는 지구형 행성(수성, 금성, 지구, 화성)들은 목성형 행성인 4개의 거대 행성들 보다 밀도는 크지만 질량은 작다.

그리고 미행성체들의 속도가 빨라 지구나 금성보다 더 큰 행성의 탄생을 방해하였고 그 결과 현재 4개의 지구형 행성(수성, 금성, 지구, 화성)이 탄생되었다. 이 충돌과정에서 지구의 일부가 떨어져나가 달이 되었을 것으로 추정된다. 그리고 한 미행성체와의 충돌이 금성의 자전 방향을 바꾸어 놓은 것으로 생각된다.

대부분의 미행성체들은 행성과 충돌하여 행성의 일부가 되었거나 외계로 나가버렸을 것이다. 소수의 작은 암석 덩어리는 화성과 목성 사이에 안정한 궤도를 찾아서 소행성이 되었을 것이다.

 

 

2. 태양계 생성론으로 설명할 수 있어야 하는 태양계의 특징

태양계 생성론이 태양계의 기원을 설명하려면 다음과 같은 태양계의 특징이 설명되어야 한다.

1. 행성의 공전 궤도는 거의 동일 평면상에 있으며 태양의 적도와도 거의 나란하다.

2. 행성의 공전 궤도는 거의 원에 가깝다.

3. 행성은 태양 주위를 반시계 방향(서에서 동)으로 공전한다.

4. 행성은 반시계 방향(서에서 동)으로 자전한다(금성과 천왕성 제외).

5. 태양에서 행성까지 거리는 티티우스 - 보데 규칙을 따라야 한다.

6. 행성들은 태양계 전 각운동량의 98%를 가지고 있으나 행성들의 총 질량은 태양계 전체 질량 의 0.15%에 불과하다.

7. 지구형 행성과 목성형 행성의 화학조성이 다르다.

8. 행성계의 구조는 태양계의 축소판이다.

 

3. 태양계 생성 이론

1. 칸트(Immanuel Kant)의 성운설(Nebular hypothesis)

(1) 태양과 행성이 동시에 탄생했다고 보는 성운설은 지구를 포함한 태양계 전체가 지금으로부터 약 50억 년 전에 성운이 뭉쳐서 만들어진 것으로 설명한다. 주변의 수명을 다한 별이 폭발하 면 그 충격으로 거대한 성운이 수축을 하게 된다. 수축을 시작한 성운은 자체 중력으로 수축 속도가 빨라지면서 서서히 회전을 하게 된다. 수축 속도가 빨라질수록 회전 속도가 빨라져 성운은 중심부가 볼록하고 가장자리가 얇은 원반 모양을 이루게 된다. 성운이 수축하면서 발 생한 열에너지로 중심부의 온도가 높아지면서 물질이 집중된 중심부에 태양이 만들어지고 가 장자리인 원반 지역에는 크고 작은 무수한 미행성체들이 생기게 된다. 이 때 미행성체들을 이루는 물질은 성운 중심에서 거리에 따라 달라진다. 온도가 높은 원시태양 부근에는 암석 과 철 성분의 미행성체가 생성되고, 온도가 낮은 바깥쪽에는 가스와 얼음 성분의 미행성체가 생성된다. 이들 미행성체들은 원시태양 둘레를 공전하면서 반복된 충돌에 의해 행성으로 성 장하게 된다.

 

(2) 성운설의 문제점

① 성운설의 가장 큰 문제점은 태양계의 각운동량 분포를 설명할 수 없다는 데에 있다. 행성은 태양계의 총 질량의 1%도 차지하지 못하지만, 총 각운동량의 99%를 지니고 있다.

② 성운설로는 가스 고리로부터 행성이 생성되는 과정을 설명할 수 없다.

 

2. 몰튼(Moulton, Forest R)과 진스(Jeans, James)의 항성과의 근접충돌 이론

(1) 항성과의 근접충돌 시 작용하는 강한 조석력은 태양으로부터 물질을 충분히 끌어낼 수 있 는데 이 물질이 후에 행성으로 뭉쳐졌다는 것이다.

(2) 근접충돌 이론의 역학적, 통계적 문제점

① 근접 충돌은 극히 드물게 발생한다는 것이다.

② 실제의 계산에서 태양으로부터 유출된 대부분의 물질이 태양둘레 궤도에 안주하기 보다는 지나는 별에 의해서 포획된다는 것이다.

③ 유출된 물질이 행성계를 형성할 뚜렷한 이유가 없다는 것이다.

 

4. 최근의 태양계 생성 이론

1. 개요

약 150억 년 전 빅뱅 직후의 우주에는 가장 가벼운 원소인 수소와 헬륨만이 존재하였다. 그외의 원소들은 나중에 별이 생성된 후 별의 내부에서 만들어졌다. 별 내부에서 핵 융합반응이 일어나지 않았다면 수소나 헬륨보다 무거운 원소들은 오늘날 우주에 존재하지 않았을 것이다. 우리 태양계에 존재하는 수소와 헬륨 이외의 물질은 우리 은하가 생겨난 후에 존재하던 별들이 죽으면서 우주에 뿌려놓은 성간물질들 속에서 생겨났다. 약 50억 년 전 우리은하 나선팔에 있는 성간 구름 가까이에서 초신성 하나가 폭발하였다. 이 때 발생한 충격파가 성간 구름 사이를 통과하면서 밀도가 다소 높은 지역을 압축하여 중력 불안정 상태를 만들었다. 여기서 밀도가 큰 덩어리가 원시 태양성운(solar nebula)이 되었다.

태양성운은 차가운 성간 물질로 이루어져 있었는데 점차 중력수축에 의해 가열되었다. 그리고 원시태양 내부에서 핵반응이 일어나면서 내부는 더욱 가열되기 시작했다. 온도가 충분히 올라 가면서 성간물질들이 증발하면서 주위의 기체들과 섞이게 되었다. 이후 온도가 내려가면서 냉 각되는 기체로부터 고체입자들의 응결이 일어났고, 마침내 행성을 이루게 될 조각들인 미행성 체로 성장하게 되었다.

미행성체들은 충돌에 의해 조각나기도 하였지만 중력에 의해 성장하기도 하였다. 원시태양 중심에서 약 4AU 거리보다 먼 곳에서는 지구 질량의 10배에 해당하는 4개의 거대 행성들(목성, 토성, 천왕성, 해왕성)이 생성되었다. 이들 거대 행성들은 다시 소규모이긴 하지만 주위에 분포된 기체로부터 자신의 회전 원판을 만들고 여기서 위성들이 생성되었다.

원시태양 중심에서 약 4AU 거리 안쪽에서는 얼음이나 휘발성 기체를 응결 시킬 만큼 온도가 내려가지 않아 미행성체들은 주로 규산염 광물과 금속으로 이루어지게 되었다. 그리고 미행성체들의 속도가 빨라 지구나 금성보다 더 큰 행성의 탄생을 방해하였고 그 결과 현재 4개의 지구형 행성(수성, 금성, 지구, 화성)이 탄생되었다. 이 충돌과정에서 지구의 일부가 떨어져나가 달이 되었을 것으로 추정된다. 그리고 한 미행성체와의 충돌이 금성의 자전 방향을 바꾸어 놓은 것으로 생각된다.

대부분의 미행성체들은 행성과 충돌하여 행성의 일부나 오르트의 구름이 되었거나 외계로 나가버렸을 것이다. 소수의 작은 암석 덩어리는 화성과 목성 사이에 안정한 궤도를 찾아서 소행성이 되었을 것이다.

2. 태양계 생성

(1) 태양을 비롯한 태양계의 모든 천체는 자전하면서 수축하는 먼지나 가스운으로 부터 동시에 형성되었다.

① 질량이 태양 질량의 3 - 4배가 되는 거대한 구름이 자전하면서 수축하는 과정에서 원시 태양 계 성운이 형성되었다.

② 내부 영역의 구름은 가장 빠르게 응축하고 가스와 먼지로 된 원반이 원시 태양 주변에 형성 된다.

③ 원반내의 먼지 입자들은 서로 충돌하면서 보다 큰 입자를 형성하고 단일 평면에 안착하여 미 행성을 형성한다.

④ 미행성체들이 뭉쳐서 현재 소행성 크기의 미소행성을 형성한다.

⑤ 미소행성이 운행하면서 현재 행성 크기 정도의 원시 행성의 형성한다.

⑥ 주변 구름으로부터 가스와 입자를 모우고 이후 강한 태양풍이 여분의 가스와 먼지를 불 어 내보내면 행성의 형성과정이 끝난다.

 

(2) 초기에 구형의 성운이 수축하면서 성운 내 입자들 간에 충돌이 발생하고 성운의 자전은 입 자들이 자전축에 수직한 동일 평면상에 가라앉게 하며 자전축으로 입자들이 모이는 것을 막 아준다.

- 행성의 궤도가 동일 평면상에 놓이게 된 이유를 설명할 수 있다.

 

(3) 태양은 자기장에 의해 각운동량을 주변의 가스에 빼앗기고 핵융합 반응이 중심부에서 시작 되면서 강한 항성풍이 발생하면서 보다 많은 태양의 각운동량이 제거되었다.

- 그 결과 서서히 자전하는 오늘날의 태양이 형성되었다.

 

(4) 원반 내에서는 작은 입자들의 계속적인 충돌로 인하여 보다 큰 덩어리로 뭉쳐서 나중에는 소 행성 정도 크기의 미행성으로 성장하고 이렇게 뭉쳐진 덩어리들은 중력에 의해 더 크게 뭉쳐 져서 원시행성이 탄생하였다.

① 원시행성은 주변의 성운 가스와 먼지를 흡입하기 시작하며, 이 때 일부 성운 덩어리는 행성 의 둘레를 돌게 되는데 이들은 후에 위성이 되었다.

② 미행성 상호간의 섭동은 소행성대에 있는 미행성들이 성숙한 행성으로 성장하지 못하게 만 든다.

- 이 과정에서 나타나는 역학적 공명 현상으로 티티우스 - 보데의 규칙을 설명할 수 있다. 그리고 행성은 극히 제한된 영역에서만 크게 뭉쳐질 수 있다.

(5) 원시 행성의 온도 분포로 행성 간 화학 조성의 차이를 설명할 수 있다.

① 수성에서 화성에 이르는 행성들은 500K 이상의 온도에서 응결되는 비교적 무거운 암석의 물 질로 구성되어있다.(휘발성 원소(수소나 헬륨)들은 내행성에는 거의 분포하지 않는다)

- 원시성운 내에 이러한 물질은 0.4% 밖에 존재하지 않았으므로 지구형 행성들의 질량이 작다.

- 태양에서 수성까지의 거리에서 온도는 약 1400K가 되는데 이 정도 온도에서는 철과 니켈 의 화합물은 응축이 가능하다. 이러한 화합물의 상대 함량비는 수성에서 가장 크며, 온도 가 불과 450K인 화성에서 가장 작다. 산화철의 함량은 화성은 비교적 많은 반면 수성에는 거의 존재하지 않는다.

③ 태양에서 토성까지의 거리에서는 온도가 매우 낮기 때문에 얼음의 천체가 형성될 수 있다. 실제로 토성의 위성 중에는 거의 순수한 얼음으로 된 것들도 있다. 천왕성이나 해왕성은 토 성보다 태양에서 더 멀리 떨어져 있으므로 질량의 상당량이 얼음으로 되어있을 가능성이 크 다.

- 원시 물질의 98.2%는 수소와 헬륨으로 되어 있으므로 목성과 토성 내의 수소와 헬륨의 존 재비는 원시물질의 존재비와 거의 비슷하다.

 

(6) 운석의 충돌, 중력 수축, 방사성 원소의 붕괴는 행성 형성 후 많은 양의 열을 발생시킨다.

이러한 열 에너지는 지구형 행성내의 일부는 용융되어(마그마 바다) 물질의 분화 작용을 일 으켰다.

- 무거운 원소는 중심부로 가라앉고 가벼운 원소는 표면으로 부상되어 층상구조를 형성하였 다.

(7) 행성의 형성 후 남은 물질은 행성 사이에서 궤도를 그리며 운행하다가 행성과 충돌하거나, 행성을 스쳐 태양계 밖으로 빠져나간다. 소행성들은 안정한 궤도에 남아있는 것들이다.

- 태양계 외각에는 혜성처럼 먼지와 얼음으로 된 천체가 많이 존재할 수 있다.

- 이러한 충돌이 금성의 자전 방향을 반대로 바꾸어 놓은 것으로 생각된다.

(8) 태양의 핵융합 반응의 시작은 행성의 형성 과정이 끝났음을 의미한다.

 

 

생각해 볼 문제

1. 칸트(Immanuel Kant)가 제시한 성운설(Nebular hypothesis)로 설명할 수 있는 태양계의 특징으로 어떤 것이 있는지 설명해 봅시다.

 

2. 칸트(Immanuel Kant)가 제시한 성운설(Nebular hypothesis)의 문제점은 무엇인지 설명 해 봅시다.

 

3. 지구형 행성들이 주로 규산염 광물이나 금속 같은 무거운 물질로 이루어지게 된 이유를 설명 해 봅시다.

 

4. 지구형 행성들이 목성형 행성들 보다 질량과 크기가 작은 큰 이유를 설명해 봅시다.

 

5. 지구형 행성 중 금성의 자전 방향이 수성, 지구, 화성과 다른 이유를 설명 해 봅시다.

 

 

출저 : EBS