태양계는 어떻게 만들어졌나, 46억 년 전 이야기

Hubble Zooms in on Shrapnel from an Exploded Star 별의탄생_NASA

 

태양계에는 규칙이 있습니다. 안쪽 네 개는 작고 단단한 암석 행성이고, 바깥쪽 네 개는 거대한 가스와 얼음 행성입니다. 모든 행성이 거의 같은 평면 위를 같은 방향으로 돕니다.

우연이라기엔 지나치게 정연합니다. 이 배치는 태양계가 만들어진 방식이 남긴 흔적입니다.

 

 

 

태양계 형성 연표

시점	사건
약 46억 년 전	거대 분자운이 붕괴하기 시작
그 직후 수십만 년	원시 태양과 원반 형성
수백만 년 이내	미행성 형성, 태양 핵융합 점화
약 4,500만 년 후	원시 행성들이 거의 완성
약 45억 년 전	테이아 충돌로 달 형성
41억~38억 년 전	후기 대충돌기
약 38억 년 전	지구에 바다 형성, 생명의 시작

 

시작 — 성운 하나가 무너지다

46억 년 전, 지금 태양이 있는 자리에는 아무것도 없었습니다. 대신 수소와 헬륨, 그리고 약간의 무거운 원소가 섞인 거대한 차가운 가스 구름이 떠 있었습니다. 이런 구름을 분자운이라고 합니다.

이 구름은 수백만 년 동안 안정적으로 떠 있을 수도 있었습니다. 그런데 어느 시점에 붕괴가 시작됩니다.

붕괴하는 분자운 _NASA

방아쇠는 무엇이었나

유력한 가설은 근처에서 일어난 초신성 폭발입니다.

거대한 별이 수명을 다하고 폭발하면 강력한 충격파가 퍼져나갑니다. 이 충격파가 분자운을 밀어붙이면서 밀도가 높은 지점이 생기고, 그 지점의 중력이 주변을 끌어당기기 시작합니다. 한번 시작되면 멈추지 않습니다.

이 가설을 뒷받침하는 증거가 있습니다. 오래된 운석에서 초신성에서만 만들어지는 방사성 원소의 흔적이 발견되었습니다. 태양계가 만들어질 때 초신성 물질이 섞여 있었다는 뜻입니다.

우리 몸을 이루는 탄소, 산소, 철도 모두 이전 세대 별의 내부에서 만들어진 것입니다. 태양계는 죽은 별의 잔해로 지어졌습니다.

왜 납작한 원반이 되었나

구름이 수축하면서 결정적인 변화가 일어납니다.

원래 구름에는 아주 미약한 회전이 있었습니다. 수축하면서 이 회전이 급격히 빨라집니다. 각운동량 보존 때문입니다. 피겨스케이팅 선수가 팔을 몸에 붙이면 회전이 빨라지는 것과 같은 원리입니다.

회전이 빨라지자 원심력이 작용합니다.

• 회전축 방향(위아래) — 원심력이 없어 그대로 눌려 납작해집니다
• 회전면 방향(옆) — 원심력이 중력에 저항해 퍼진 상태를 유지합니다

그 결과 구름은 가운데가 두툼하고 가장자리로 갈수록 얇은 원반이 됩니다. 중심에는 물질이 집중되어 원시 태양이 되고, 나머지는 원반 안에서 돌게 됩니다.

모든 행성이 같은 평면에서 같은 방향으로 도는 이유가 여기 있습니다. 애초에 하나의 회전하는 원반에서 만들어졌기 때문입니다.

solar-system-formation

동결선 — 안팎이 갈린 이유

원반 안에서 행성이 만들어지기 시작할 때, 결정적인 경계선이 하나 있었습니다. 동결선입니다.

원시 태양이 켜지면서 안쪽은 뜨거워지고 바깥쪽은 차가운 상태로 남았습니다. 물, 암모니아, 메탄 같은 물질이 얼음으로 존재할 수 있는 경계가 생긴 것입니다.

이 선은 대략 현재의 소행성대 부근에 있었습니다.

구역	온도	남을 수 있는 물질	결과
동결선 안쪽	뜨거움	금속, 규산염 등 녹는점 높은 물질만	작고 단단한 암석 행성
동결선 바깥쪽	차가움	암석 + 얼음(물, 메탄, 암모니아)	재료가 훨씬 많아 거대 행성

이것이 핵심입니다. 바깥쪽에는 쓸 수 있는 재료가 훨씬 많았습니다.

우주에서 물, 메탄, 암모니아는 금속보다 압도적으로 흔합니다. 동결선 바깥에서는 이 모든 것이 고체로 존재할 수 있었으니, 행성의 씨앗이 훨씬 빠르고 크게 자랐습니다.

일단 충분히 커지자, 그 중력으로 원반에 남아 있던 수소와 헬륨 가스까지 끌어모았습니다. 목성과 토성이 그렇게 만들어졌습니다.

반면 안쪽은 재료가 부족했습니다. 게다가 원시 태양의 강한 항성풍이 가벼운 기체를 바깥으로 쓸어냈습니다. 수성, 금성, 지구, 화성이 작을 수밖에 없었던 이유입니다.

충돌을 통해 행성을 만듦(아티스트 컨셉) _NASA

먼지에서 행성까지

원반 속 미세한 먼지가 어떻게 행성이 되었을까요.

1단계 — 먼지 알갱이가 달라붙는다
정전기로 미세 입자들이 서로 붙습니다. 크기가 mm에서 cm 수준으로 자랍니다.

2단계 — 미행성
지름 1km 이상이 되면 자체 중력이 의미를 갖기 시작합니다. 이 단계의 천체를 미행성이라고 합니다.

3단계 — 폭주 성장
커진 미행성은 중력이 강해 주변 물질을 더 빨리 끌어당깁니다. 커질수록 더 빨리 커지는 가속 구간입니다. 승자가 독식하는 구조입니다.

4단계 — 원시 행성 충돌
달에서 화성 크기의 원시 행성 수십 개가 서로 부딪히고 합쳐지며 최종 행성이 됩니다.

1~2단계의 난관

과학자들이 오랫동안 고민한 지점이 있습니다. mm 크기에서 km 크기로 넘어가는 구간입니다.

작은 입자는 정전기로 붙고, 큰 천체는 중력으로 뭉칩니다. 그런데 그 중간 크기는 어느 쪽도 잘 작동하지 않습니다. 부딪히면 붙기보다 튕기거나 부서지기 쉽습니다.

현재는 원반 안 난류가 입자를 특정 지역에 몰아넣어 밀도를 높이고, 그 덩어리가 한꺼번에 중력 붕괴한다는 설명이 유력합니다. 다만 완전히 해결된 문제는 아닙니다.

 

 

후기 대충돌기

행성이 대체로 자리를 잡은 뒤, 약 41억~38억 년 전에 소행성과 혜성이 태양계 안쪽으로 대량 쏟아진 시기가 있었습니다. 후기 대충돌기입니다.

증거는 달에 있습니다. 아폴로가 가져온 월석의 연대를 측정했더니, 거대한 충돌 분지들이 이 시기에 집중되어 있었습니다. 달의 어두운 '바다'는 대부분 이때 만들어진 분지에 용암이 채워진 것입니다.

지구도 똑같이 두들겨 맞았지만, 판 구조 운동과 침식으로 흔적이 대부분 지워졌습니다.

원인으로는 거대 행성들의 궤도 이동이 지목됩니다. 목성과 토성의 공전 주기가 특정 비율에 도달하면서 중력적 공명이 발생했고, 그 여파로 천왕성과 해왕성의 궤도가 크게 바뀌면서 바깥쪽 얼음 천체들이 안쪽으로 튕겨 들어왔다는 설명입니다. 니스 모델이라고 합니다.

흥미로운 점은 이 사건이 재앙만은 아니었다는 것입니다. 쏟아진 소행성과 혜성이 지구에 물과 유기물을 배달했을 가능성이 있습니다. 지구는 동결선 안쪽에서 만들어졌기 때문에, 원래는 지금처럼 많은 물을 가질 수 없었습니다.

 

우리가 아는 것과 모르는 것

이 글에서 설명한 내용은 확실성의 정도가 제각각입니다. 정리하면 이렇습니다.

거의 확실한 것

• 태양계의 나이 약 45억 6,700만 년 (운석 연대 측정으로 확정)
• 회전하는 원반에서 형성됐다는 것 (행성들의 궤도면과 회전 방향이 증거)
• 동결선의 존재와 그로 인한 안팎의 차이

유력하지만 논쟁이 있는 것

• 초신성이 붕괴의 방아쇠였다는 설
• 니스 모델(거대 행성 궤도 이동)의 구체적 시나리오
• 후기 대충돌기가 실제로 있었는지 (최근 반론이 제기됨)

아직 모르는 것

• mm 크기 입자가 km 크기 미행성으로 자라는 과정
• 금성이 왜 반대로 자전하는지
• 지구의 물이 어디서 왔는지

과학 글에서 이 구분을 하지 않으면 확정된 사실과 가설이 뒤섞여 보입니다. 위 세 묶음은 그래서 나눠 적었습니다.

Moon far side 충돌 흔적이 남은 달_NASA

달의 탄생

약 45억 년 전, 갓 만들어진 지구에 화성 크기의 원시 행성이 충돌합니다. 이 천체는 그리스 신화 속 달의 여신의 어머니 이름을 따 테이아로 불립니다.

충돌의 위력은 상상을 넘어섰습니다. 지구의 지각과 맨틀 상당 부분이 증발했고, 테이아는 완전히 파괴되었습니다. 튀어나간 파편이 지구 궤도에 원반을 이루었고, 그것이 뭉쳐 달이 되었습니다.

증거는 명확합니다.

• 달에는 철 핵이 거의 없습니다. 충돌 당시 무거운 철은 이미 지구 중심에 가라앉아 있었고, 튀어나간 것은 주로 가벼운 맨틀이었기 때문입니다.
• 월석의 산소 동위원소 비율이 지구 맨틀과 거의 일치합니다.
• 달에는 물과 휘발성 물질이 거의 없습니다. 충돌 열로 증발했습니다.

solar-system-formation 02

자주 묻는 질문

태양계의 나이는 어떻게 알아냈나요?

가장 오래된 운석의 방사성 연대 측정으로 알아냈습니다. 운석은 지구 암석과 달리 형성 이후 거의 변형되지 않아 원래 연대를 보존하고 있습니다. 약 45억 6,700만 년이라는 값이 나옵니다.

다른 항성계도 같은 방식으로 만들어지나요?

기본 원리는 같다고 봅니다. 실제로 젊은 별 주위에서 원시 행성 원반이 관측되었고, 그 안에 행성이 만들어지며 생긴 틈까지 촬영되었습니다.

왜 금성만 반대로 자전하나요?

확정된 답은 없습니다. 거대한 충돌 때문이라는 설과, 두꺼운 대기의 조석 효과가 오랜 시간에 걸쳐 자전을 뒤집었다는 설이 경쟁하고 있습니다.

태양계에 아홉 번째 행성이 있을 가능성이 있나요?

일부 카이퍼 벨트 천체들의 궤도가 한쪽으로 치우쳐 있는 현상을 설명하기 위해, 먼 곳에 미발견 행성이 있다는 가설이 제기되어 있습니다. 아직 관측되지 않았고 논쟁 중입니다.

 

자료 출처

• NASA 행성 형성 연구 자료
• ALMA 전파망원경 원시행성계 원반 관측
• 운석 방사성 연대 측정 연구
• 오류를 발견하시면 댓글이나 메일로 알려주세요.
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마무리

태양계의 모든 구조에는 이유가 있습니다. 행성들이 같은 평면에서 도는 것은 회전하는 원반에서 태어났기 때문이고, 안쪽이 작고 바깥쪽이 큰 것은 동결선 때문이며, 지구에 물이 있는 것은 후기 대충돌기 덕분일 가능성이 큽니다.

그리고 우리 몸을 이루는 원소는 태양계보다 오래되었습니다. 탄소도 산소도 철도, 태양계가 생기기 전에 죽은 어느 별의 내부에서 만들어졌습니다.

 

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