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[비센의 재미있는 과학 이야기] 태양계

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작성자 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 작성일15-06-18 12:10 조회494회 댓글0건

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우주 탄생과 소멸, 지금도 계속되고 있어

 

 

약 46억년 전, 드넓은 우주의 한 공간에 퍼져있는 가스와 먼지들 사이에 심상치 않은 기운이 감돌기 시작합니다. 회전 목마가 돌아가듯이 한 방향으로 회전하고 있는 이 가스와 먼지들의 거대한 덩어리를 성운(Nebula)이라고 합니다. 주변에서 발생한 초신성폭발(Supernova)에서 만들어진 충격파의 영향으로 이 거대한 성운의 중심부에 다른 부분보다 밀도가 높은 가스와 먼지의 ‘덩어리’가 만들어지기 시작한 것입니다. 이 ‘덩어리’의 중력은 계속해서 주변의 물질들을 끌어들이게 되고, 회전하는 물체가 중심축에 가까이 다가갈 수록 그 회전속력이 빨라진다는 각 운동량의 보존 법칙에 따라 중심부로 끌려들어가는 물질들은 점점 더 빠르게 회전하기 시작합니다. 이렇게 속력이 빨라지면서 주변의 물질들과 더 많은 충돌을 만들게 되고, 이런 충돌에 의해 발생되는 에너지가 점점 이 중심부의 ‘덩어리’를 뜨겁게 만들게 됩니다. 솜사탕을 만드는 통에 설탕가루들이 빠르게 회전하고 있을 때, 솜사탕 장수 아저씨가 휘젓는 나무젓가락을 중심으로 설탕가루들이 모여들어 커다란 솜사탕이 만들어지는 듯한 일이 그 오랜 옛날 우주 공간에서 일어나면서 흡사 솜사탕과 같은 커다란 가스와 먼지의 ‘덩어리’를 만들어 낸 것입니다.

 

이 덩어리가 바로 우리 태양계의 중심인 ‘태양’입니다. ‘태양’은 스스로 빛을 낼 수 있는 항성으로서, 지구로부터 가장 가까운 ‘별’이 바로 다름아닌 태양입니다. 이렇게 커다란 가스 덩어리의 중심 부분은 자신들의 중력에 의해 서로 뭉쳐 태양이 됐지만, 중력의 영향력이 크지 않은 주변부에 위치해서 중심까지 끌려가지 못한 가스와 먼지들은 자신들의 궤도를 회전하면서, 주변의 덩어리들과 서로 뭉쳐 태양을 중심으로 돌아가는 또 다른 ‘덩어리’들을 만들어 냈습니다. 이들이 바로 목성(Jupiter), 토성(Saturn), 천왕성(Uranus), 그리고 해왕성(Neptune)과 같은 바깥쪽에 위치한 행성(Outer planets, Gas giants)들입니다.

 

한편 중심부의 중력에 의해 끌려 들어오기는 했지만, 무수한 충돌 속에서 중심의 태양에 뭉치지 못하고, 그 주변부를 회전하는 수많은 미행성(planetesimals)들이 만들어지기도 했습니다. 이러한 미행성들이 비슷한 궤도를 회전하며, 서로 충돌하여 깨지기도 하고, 서로 뭉치기를 반복하였고, 그 결과 네개의 단단한 암석 덩어리가 만들어진 것이 지금의 수성(Mercury), 금성(Venus), 지구(Earth), 그리고 화성(Mars)으로 태양에 가깝게 위치한 네 개의 행성(Inner planets, Terrestrial planets)에 해당합니다.

 

이렇게 생성의 원리 자체가 다르기 때문에 동일하게 태양 주변을 회전하는 행성들임에도 불구하고, 그 특징이 크게 두 그룹으로 나뉘게 됩니다. 앞서 이용한 솜사탕을 이용해 쉽게 비유해 보자면, 나무젓가락을 중심으로 거대한 솜사탕이 만들어지는 동안, 안쪽으로 끌려 오지 못한 설탕가루들에 의해 통의 가장자리부분에 작은 솜사탕 덩어리 몇개가 만들어지고, 동시에 가운에 솜사탕에 뭉쳤던 설탕가루들 중 부스러기 몇개가 떨어져 나온 것이라고 볼 수 있습니다. 당연히 중심의 솜사탕보다는 작더라도 가장자리에 만들어진 덩어리들도 나름 크기가 어느정도 있다고 볼 수 있는 반면, 떨어져 나온 부스러기들은 솜사탕이라고 부를 수도 없을 만큼 작을 것입니다. 지구의 반지름을 1이라고 본다면, 수성, 금성, 그리고 화성은 모두 비슷하거나 지구보다 작지만, 목성은 약 10, 토성은 약 9 정도의 반지름을 갖고 있으며, 태양의 반지름은 무려 110배정도에 가깝습니다. 크기뿐만 아니라 태양으로부터의 거리도 확연한 차이를 갖고 있습니다. 지구에서 태양까지의 거리를 1 cm라고 보면, 물론 수성과 금성은 그보다도 더 태양에 가깝에 있고, 화성의 위치도 1.5 cm정도로 크게 차이가 나지 않는 반면, 목성의 위치는 약 5 cm, 토성의 위치는 약 9.5cm  정도, 그리고 제일 먼 곳에 위치한 해왕성은 무려 30 cm 떨어진 곳에 있다고 볼 수 있습니다. 즉, 화성까지는 태양근처에 다닥다닥 붙어 있고, 그 바깥쪽의 행성들을 멀찌 감치 떨어져 있는 형태인 것입니다.

 

태양계는 이렇게 태양과 8개의 행성을 그 주인공으로 갖고 있지만, 이들만이 있는 것은 아닙니다. 지구와 비슷한 형태의 행성중 제일 멀리 있는 화성과 바깥쪽에 형성되는 행성들 중 제일 가까이 위치한 목성의 사이에는 엄청나게 많은 작은 돌덩이리들이 모여 띠를 형성하고 있는 곳이 있는데, 이곳을 소행성대(asteroid belt)라고 합니다. 태양의 중력에 끌려오기에는 애매하게 먼 거리이면서 동시에 바깥쪽에 뭉치는 덩어리에 끌려가기에도 애매한 거리에 위치해서, 안쪽으로도 바깥쪽으로도 끌려가지 못하고 남아있는 소행성(asteroid)들이 그 지역에 많이 남아있기 때문에 형성된 지역입니다. 해왕성의 바깥쪽에도 매우 넓은 지역이 이렇게 뭉치지 못한, 상대적으로 작은 덩어리들이 분포하고 있으며, 쿠이퍼대(Kuiper belt), 산란분포대(Scattered disc)라고 구분됩니다. 이 지역에 있는 비교적 큰 질량의 명왕성(Pluto)는 1930년에 처음 발견되어 최근까지 태양계의 9번째 행성으로 분류되었지만, 이후 그 궤도가 행성으로 보기에 부적합하고(공전 궤도의 찌그러짐이 심해서 해왕성보다 안쪽으로 들어올 때도 있습니다), 그 질량이 에리스(Eris)라는 왜행성보다도 작다는 것이 관측되면서 2006년 국제천문협회 총회에서 행성의 지위를 잃었습니다. 명왕성, 에리스를 포함하여 세레스(Ceres), 하우메아(Haumea), 마케마케(Makemake)라는 다섯개의 왜행성이 이 지역에 위치하고 있으며, 대부분 물, 암모니아, 메탄 등이 얼어있는 얼음으로 이루어져 있습니다. 그리고 태양계의 가장 바깥쪽에는 낮은 밀도로 넓은 지역에 작은 소행성들이 분포하고 있는 지역이 있는데, 이곳을 오르트구름(Oort cloud)라고 합니다. 태양을 중심으로 공전하는 혜성(comet)들이 바로 이곳에서 만들어진 것으로 알려져 있습니다.

 

물론 설명드린 태양계의 형성과정은 다시 재현해 볼 수 있는 것이 아니기 때문에, 빅뱅이론(Big Bang Theory)과 같이 이론일 뿐, 검증된 법칙이라 할 수 없습니다. 그렇기 때문에 이 외에도 많은 이론들이 태양계의 형성과정이라고 주장되고 있지만, 설명드린 것이 현재 과학계에서 가장 가능성이 높은 것으로 인정받고 있는 이론입니다. 이 이론의 가장 기초가 되는 내용인 성운설(nebular hypothesis)은 1734년 엠마누엘 스베덴보리(Emauel Swedenborg, 1688-1772)에 의해 처음 제창되었고, 철학자로 유명한 이마누엘 칸트(Immanuel Kant, 1724-1804)가 1755년에 보충, 확장하여 발표한 이론입니다. 이와는 독립적으로 프랑스의 과학자 피에르시몽 라플라스(Pierre-Simon Laplace, 1749-1827)에 의해 비슷한 이론이 발표되었고, 이후 천문학적으로 관측된 사실들을 바탕으로 보완, 보충하여 지금의 이론에 이르게 된 것입니다.

 

평온해 보이는 저 밤하늘은 사실 그 옛날부터 지금까지도 전쟁터를 방불케 하는 혼돈의 세상이며, 매 순간 새로운 별이 만들어지기도, 생명을 다한 별이 폭발하여 다시 먼지로 퍼져나가기도, 또 행성들이 부딫혀 깨지기도 하며 쉼없이 변화해 가고 있습니다. 또한 그 넓이가 인간이 가늠할 수 없을 정도로 넓어서 전체 우주를 캔버스위에 그린다면 태양계, 아니 태양계가 속한 우리은하(Milky way galaxy)마저도 작은 점으로 조차 그려지지 못할 정도로 작습니다. 적어도 우리가 아는 한 가장 높은 지능을 소유하고 있다고 자부하는 인간이지만, 과학이라는 도구를 이용하여 자연의 원리를 알아보려 노력을 하면 할 수록, 그 거대함과 한없음에 그저 겸손해 질 수 밖에 없는 작은 존재임을 깨닫게 되는 것 같습니다.

 

 

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석준영  비센학원장 

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