원시 행성계와 현재 행성계의 현황과 진화

1. 태양계도 진화를 한다?

원시 행성계 원반의 상상도

 

인류사회에서 태양계는 이론을 정립해서 시대의 흐름을 따라 발전해왔다. 천문학 및 물리학에서부터 지질학 및 행성과학까지 여러 학문 영역을 종합시켜 주는 구실을 했다. 태양계 생성 이론은 수세기에 걸쳐 발전했지만 근대적 이론의 틀을 갖춘 것은 18 세기에 이르러서 였다. 1950년대에 우주 시대가 열리고 1990년대 중반 이후 외계 행성이 본격적으로 발견되면서 태양계의 생성과 소멸에 대한 기존 이론들은 도전을 받음과 동시에 더욱 다듬어지게 된다. 지구로 전송된 바깥 세계에 대한 정보 덕분에 사람들은 태양계에 대해 더욱 더 많은 것을 알게 되었다. 동시에 핵물리학의 발전은 항성에 대한 지식을 증진시켰고, 항성의 탄생 및 궁극적 최후에 관한 이론 수립에 이바지하게 된다.
헤아릴 수 없을 정도로 많은 항성 중에서 대부분은 태양처럼 행성을 거느린 것으로 여겨지고 있으므로, 태양계의 성인이 보통 항성의 경우와 다르다고는 생각되지 않는다. 태양계는 지금으로부터 약 46억 년 전, 거대한 분자 구름의 일부분이 중력 붕괴를 일으키면서 형성되었다. 붕괴한 질량 대부분은 중앙부에 집중되어 태양을 형성했다. 반면 나머지 물질은 행성, 위성, 소행성 및 다른 태양계 천체들을 형성하게 될, 얇은 원반 모양의 원시 행성계 원반으로 진화하였다.

태양계는 처음 태어났을 때부터 격렬하게 진화했다. 많은 위성은 자신들의 어머니 행성 주위에 형성되어 있던 가스 물질과 먼지에서 생겨났다. 반면 일부 위성들은 행성의 중력에 이끌려 포획되거나 또는 천체끼리의 충돌로 생긴 파편이 뭉쳐서 생겨났다(지구의 달이 이런 사례라고 추측하고 있다). 천체끼리의 충돌은 오늘날까지도 꾸준히 이어지는 현상이며, 태양계의 진화에서 중요한 부분을 차지한다. 행성들의 궤도는 안쪽 또는 바깥쪽으로 바뀌며, 행성들끼리 서로 위치를 바꾸기도 한다. 이러한 행성의 "이주" 현상은 태양계 초기 진화 때 발생한 것으로 추측하고 있다.

 

2. 이후의 진화과정

내셔널 지오그래픽 채널에 나온 태양계가 은하계에서 회전하는 상상도

 

행성 탄생에 대한 기존의 견해는 태양계가 현재 위치의 근처 궤도에서 생성되었다는 것이었다. 그러나 천문학자들은 20세기 말에서 21세기 초에 걸쳐 이 이론에 근본적인 수정을 가하게 된다. 수정된 이론에 따르면, 현재 태양계의 모습과 처음 태양계가 탄생했을 때의 모습은 크게 다르다. 예를 들어 지금의 내행성 궤도에는 적어도 수성 정도 질량이 되는 원시 행성이 다섯 개는 존재했으며, 외행성계는 지금보다 훨씬 단순한 구도를 보이고 있었다고 한다. 또한, 카이퍼 대는 지금보다 훨씬 먼 곳에 존재했었다.

충돌 이론은 현재 태양계의 형성 및 진화 이론에서 폭넓게 인정되는 학설이다. 달을 만들었던 충돌 외에도 명왕성-카론계는 카이퍼 대 천체끼리 부딪혀서 생겨난 결과라고 한다. 소행성 주위를 도는 위성이나 다른 카이퍼 대 천체도 충돌을 겪고 나서 생겨난 것으로 받아들여지고 있다. 슈메이커-레비 제9혜성과 목성이 충돌한 경우나, 애리조나주에 있는 운석 구덩이 등을 통해 이런 충돌이 실제 있었음이 입증되었다.

먼 미래 태양이 나이를 먹으면서 진화하면, 태양계에는 큰 변화가 일어날 것이다. 태양이 가지고 있던 수소를 거의 다 태우면, 남아 있는 연료를 태우면서 내부 온도는 더 뜨거워지며, 연료를 태우는 속도는 더욱 빨라진다. 그 결과 태양은 10억 년마다 11퍼센트씩 밝아진다. 지금으로부터 10억 년 후 태양의 복사량이 증가하면서 생물권은 지금보다 바깥쪽으로 물러날 것이며, 지구 표면은 가열되어 생명체가 살 수 없는 환경으로 변할 것이다. 이 시점에서 깊은 바다 속에 사는 생명체를 제외한 육상 생명체는 전멸한다.바닷물이 증발하면서 온실 효과가 발생하며, 이는 지표면의 온도 상승을 가속하며, 지구에 있는 모든 생명체는 결국 죽음을 맞이할 것이다. 한편, 화성의 표면 온도는 서서히 상승하며 지표 흙 속에 얼어 있던 이산화탄소 및 물은 기체로 변하여 대기를 이루게 되며, 온실 효과를 일으켜 장차 생명체가 살 수도 있을지 모르는, 현재 지구와 비슷한 온도를 조성하게 된다. 35억 년 후 지구의 표면은 지금의 금성과 비슷해질 것이다.

 

3. 연대표

태양계의 연대표

 

태양계의 시간틀은 방사능 연대 측정을 이용하여 추정되어 왔다. 태양계의 나이는, 태양계 내를 떠도는 운석(隕石) 속에 함유되는 방사성 동위 원소의 비율로부터 45억 년이라고 추정되고 있다. 이것은 지구가 태어난 지 이만한 세월이 흘렀다는 것을 말해 준다. 지구의 가장 오래된 광물 조각의 나이는 약 44억 년이다. 지구 표면은 꾸준히 풍화 작용과 화산 활동 및 지각 변동으로 씻겨나가고 바뀌기 때문에 이처럼 오래된 암석은 드물다. 태양계의 나이를 측정하기 위해서 과학자들은 운석을 사용한다. 이들 운석은 태양 성운이 압축될 당시에 생겨난 것들이다. 거의 모든 운석(캐넌 디아블로 운석 문서를 참조)의 나이가 46억 살이기 때문에 태양계의 나이 역시 적어도 그 정도는 될 것으로 추측된다.

다른 별 주위의 원반에 대한 연구를 통해 태양계 형성의 시간표를 수립하는 데 많은 자료를 얻을 수 있었다. 나이가 1백~3백만 년 사이인 별은 가스가 풍부한 원반을 가지고 있었음에 반해, 나이가 1천만 년 이상인 별 주위에는 거의 가스가 없었다. 이는 이들 주변에는 행성의 생성 과정이 멈췄음을 뜻한다.