태양계의 형성, 어떻게 형성됐을까?

1. 태양계는 혼자 탄생하지 않았다. 그렇다면 어떻게 형성되었을까?

 

부분적으로 밀도가 높아지고 불안정해진 우주의 곳곳에서 동시다발적으로 탄생했다. 형제자매별들 수천, 수만 개가 같이 탄생했을 것이다. 행성이나 위성을 형성하지 못한 작은 천체들은 태양계 형성 과정의 잔존물로 태양계에 남았다. 따라서 태양계의 형성 과정을 이해하려면 수 킬로미터에 이르는 작은 천체들을 연구하는 것이 중요하다. 전체적으로 볼 때 안쪽에 암석형 행성이, 바깥쪽에 기체형 행성이 자리 잡은 현재의 태양계는 어떻게 지금과 같은 형태로, 지금과 같은 위치에 존재하는 것일까? 천문학자들 사이에서는 크고 작은 논쟁이 진행 중이다.
태양계의 형성과 진화는 천문학자들의 오랜 화두였다. 우리 자신의 기원에 대한 문제이기도 했다. 태양계의 형성에 대해 여러 가지 이론들이 나오고, 새로운 관측 결과가 나오면 어떤 이론은 힘을 받고 어떤 이론은 위축되곤 했다. 지금은 태양계 내 천체들에 대한 관측만 아니라 태양계 밖 다른 행성계도 관측하면서 태양계만이 아닌 행성계의 보편적인 형성 이론을 이야기하는 시대로 진입하고 있다.
숱한 외계 행성의 발견은 행성계 중 하나로서의 태양계를 자리매김할 수 있는 좋은 기회를 제공하고 있다. 최근 건설된 거 대한 광학 망원경이나 전파 망원경의 핵심 프로젝트 중 하나로 행성계의 형성과 진화 분야가 꼭 들어가곤 한다. 거대한 최신 망원경으로 많은 천문학자들이 협업하는 대규모 프로젝트가 여러 진행 중이다. 역사상 어느 때보다 태양계를 비롯한 행성계의 형성과 진화에 대한 비밀이 더 많이 밝혀질 행복한 시대에 우리는 살고 있다.

 

2. 태양계에 관한 여러 논쟁

태양계의 형성과 진화에 대해서는 여전히 알지 못하는 것이 많다. 천문학자들 사이에서는 크고 작은 논쟁이 진행 중이다. 우선 태양과 같은 별들이 어떻게 탄생했는지 살펴보자. 가스와 멀어진 지가 구름처럼 뭉쳐서 이루어진 천체를 성운이라고 한다. 성운 속에서 일정한 조건이 갖춰지면 별들이 탄생한다. 별이 탄생한다는 것은 별과 그 주위의 행성 같은 천체들이 같이 태어난다는 말이다. 다시 말하면 항성계 또는 행성계가 탄생한다는 것이다.

어떤 거대한 성운을 상상해 보자. 이 성운 속에서는 과거에 몇 차례 별들이 태어났다. 즉 항성계 또는 행성계가 여러 번 형성되었었다. 이 별들은 태양보다 훨씬 무거워서 더 짧은 일생을 살고 죽었을 것이다. 태양보다 짧은 일생을 살고 죽으면서 그사이 별 속에서 만들었던 산소나 질소 같은 원소들을 거대한 성운 속으로 내뿜었을 것이다. 아마 초신성으로 폭발했을 그 죽음의 순간에 금속이 만들어졌을 것이고, 다시 거대한 성운 속으로 흩어졌을 것이다. 그렇게 두세 번에 걸친 별들의 생성과 소멸이 일어난 그 거대 성운은 산소나 질소 같은 원소만 아니라 금속 물질도 풍부해졌을 것이다. 또한 여전히 성운의 한쪽에서는 새롭게 탄생하는 별들이 있을 것이다. 여전히 빛을 내면서 일생을 즐기고 있는 별들도 존재하고 있을 것이다.
약 46억 년 전이 거대한 성운의 어느 곳에서 국부적으로 변화가 생겼다. 아마 근처에서 초신성이 폭발했을지도 모른다. 충 격파가 성운의 한쪽을 흔들어 놓았다. 그 결과로 국부적으로 불 안정해진 곳에서 중력 수축이 시작되었다. 아마 근처 다른 곳에 서도 비슷한 과정이 진행되었을 것이다. 회전하면서 수축했을 그 국부적인 성운의 크기는 현재 태양계보다 열 배 정도 컸을 것이다. 허블 우주 망원경이 찍어서 보내준 사진 중에 독수리 성운 속에서 국부적으로 밀도가 높아진 부분에서 별이 막 탄생할 준비를 하는 것이 있다. 바로 46억 년 전 태양계 또한 그 모습으로 탄생을 준비하고 있었을 것이다.

 

3. 태양계 형성 과정

태양계는 혼자 탄생하지 않았다. 부분적으로 밀도가 높아지고 불안정해진 우주의 여러 지역에서 동시다발적으로 행성계들이 탄생했다. 태양의 형제자매별들 수천, 수만 개가 같이 탄생했을 것이다. 성운이 회전하면서 십분의 일 정도 작은 규모로 수축한다고 생각해 보자. 중심부의 밀도와 온도는 엄청나게 올라갈 것이다. 중심부에서는 핵융합 작용이 일어나고 그곳에서 빛이 나오게 시작할 것이다. 별의 탄생 순간이다. 별, 즉 항성은 스스로 빛을 만들어서 내는 천체다. 이렇게 별이 탄생하는 것과 동시에 다른 물질들은 그 별을 중심으로 회전하는 원반으로 모여들게 시작했다.

원시 태양계에서는 가운데 부분에서 원시 태양이 주변의 물질을 끌어들이게 시작해서 임계점을 넘기면서 핵융합 작용을 일으켰고, 빛을 내기 시작했고 태양이라는 별이 되었다. 시간이 좀 지난 후 태양 주변을 돌고 있던 천체들도 국부적으로 뭉치게 시작했다. 주로 1킬로미터에서 수 킬로미터에 불과한 작은 천체 들이 서로 부딪치고 깨지고 다시 뭉치면서 태양 주위를 돌고 있었을 것으로 생각된다. 국부적으로 중심이 되는 거점들이 생기기 시작했다. 원시 행성들이 탄생한 것이다. 여전히 작은 천체들의 충돌과 병합 과정이 일어나면서 원시 행성은 더 커지거나 깨져 버리기를 반복하고 있었다.

 

시간이 더 지나면서 태양계의 행성들은 현재의 모습으로 정착했다. 태양에서는 태양풍이 나오면서 태양계 안쪽에 있던, 미처 행성이 되지 못한 작은 천체들을 모두 태양계 바깥쪽으로 밀어내 버렸다. 그 결과 수성, 금성, 지구, 화성 같은 태양계 안쪽에 위치한 행성들 주위는 깨끗한 공간이 되었다. 이 행성들은 갖고 있던 기체들을 모두 날려 버리고 말았다. 태양계 안쪽에 암석형 행성들이 자리 잡고 있는 까닭이다. 태양계 바깥으로 날아간 기체들은 목성이나 토성 같은 기체형 행성에 흡수되었다. 태양계 안쪽에서는 암석형 행성이, 바깥쪽에서는 기체형 행성이 자리 잡고 있는 현재 태양계의 모습이 갖춰지게 되었다.