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원제 : 우리 태양계로의 여행(3)

 

지구의 형제들(암석형 행성들)

 

태양으로부터 상대적으로 가까운 곳에서 태양을 돌고 있는 지구의 형제들을 알아볼 차례입니다. 약 45억 년 전도 지금과 같이 태양에서는 태양풍을 뿜어 내보냈습니다. 대전(electrification)되어 에너지 가득한 태양풍이 막 행성을 만들려고 충돌 중이던 물질들을 덮쳤고, 가벼운 헬륨과 수소를 더 멀리 날려버렸습니다. 

 

덕분에 태양에서 가까운 궤도 근처에는 조금 더 무거운 암석, 얼음과 먼지들 만이 남게 되었습니다. 이들은 서로 부딪치면서 조금씩 크기를 키워갔습니다. 서로 간의 정전기력 때문에 충돌 후 점점 더 큰 크기로 성장해 갔습니다[8]. 이렇게 조금씩 크기를 키워 갈 수록 점점 중력이 커지고, 이젠 정전기적 인력 뿐만 아니라 중력에 의해 주변 물질의 흡수 속도가 더욱 빨라지게 됩니다. 

 

이로써 태양계 곳곳에서 작은 미행성(Planetesimals)들이 생겨나게 됩니다. 이 미행성들끼리 끊임없는 충돌과 상호작용을 하면서 이들은 점점 크기가 더 커지게 됩니다. 마침내 태양계의 각 구역별로 독점적인 자리를 차지하는 행성들이 생겨난 것입니다. 

 

암석형 행성

 

이중에서 먼저 우리는 소행성 띠 안쪽으로 태양을 돌고 있으며 상대적으로 무거운 암석, 금속 등으로 이루어 져 있는 암석형 행성(혹은 지구형 행성)들을 알아보겠습니다. 지구의 형제들이라고도 불리는 수성, 금성, 화성의 구성 성분을 보면 지구와 비슷합니다. 소행성 띠 바깥쪽에서 태양을 공전하고 있는 목성, 토성, 천왕성, 해왕성이 지구형 행성과 완전히 다른 물질들로 구성 되어 있는 것을 보면 이 차이점을 만든 태양풍의 세기가 얼마나 강한지 알 수 있습니다.

 

태양을 돌고 있는 8개의 행성 중, 그리스 신화나 로마신화의 신의 이름으로 명명되지 않은 유일한 행성은 바로 우리 지구 (Earth, 그림4) 입니다[9]. 지구는 지금 여러분들이 숨쉬고 있는 바로 이곳 입니다. 사랑하는 가족들, 애인, 애완동물, 수 많은 생물 등이 다 같이 살고 있는 곳이며, 인류의 영원한 고향이자, 말 그대로 기적과도 가까운 현상들이 엄청나게 모여서 생명체가 살기에 적합한 생활 환경을 유지하고 있는 행성입니다. 지구가 왜 생명체가 살기 적합한 환경인지, 얼마나 많은 기적들이 모여있는지 살펴보겠습니다.

 

첫 번째, 지구에는 물과 대기층이 있습니다. 현재까지 발견된 생물체는 (거의) 모두 탄소 유기 화합물인데 이 유기화합물들은 물과 대기층이 없으면 만들어 질 수 없기 때문입니다. 

 

두 번째, 지구는 우리 태양과 같은 적절한 크기와 온도의 항성을 모항성으로 가지고 있습니다. 따라서 생명체 존재에 상당히 안정된 환경입니다. 우주의 대부분 별들은 쌍성계 안에서 두 개의 별이 서로 공전하는 데에 반해 우리 태양은 홑별로 알려져 있기에 이 또한 생명체의 거주 가능성을 높여줍니다. 

 

세 번째, 모항성인 태양 역시 우리 은하의 중심부가 아닌 멀리 떨어진 곳에 위치해 있기에, 블랙홀 등의 영향에서 벗어나 있고 근처에 초신성이나 감마선 폭발 등을 유발할 천체가 없다는 것도 하나의 기적이라고 할 수 있습니다. 

 

네 번째, 지구는 골디락스 존(생명체 거주 가능 영역)에 위치해 있습니다. 

 

다섯 번째, 지구의 온화한 기후입니다. 약 만 년전 오락가락하던 기후와 해수면의 오르락내리락한 변동이 멈추고 보다 온화한 기후가 시작되었습니다. 45억 년 가까이 지속돼 온 판구조 운동에 의해 다양하고 역동적인 환경이 일어났지만, 지금은 생명체의 탄생 및 진화에 더 없이 좋은 환경입니다. 참고로 현재의 간빙기는 5만 년 이상 지속될 예정입니다. 

 

여섯 번째, 지구의 자전축은 우리 지구의 위성인 달로 인해 안정 되었고, 달 뿐 아니라 목성이나 토성과 같은 큰 행성들 덕분에, 소행성 또는 혜성의 위협으로부터 안전한 상황입니다. 

 

마지막으로 지구는 금성처럼 과다한 온실효과가 없고, 화성처럼 대기가 옅어 숨쉬기 힘든 것도 아닙니다. 하나씩 열거 하기에는 기적과도 가까운 상황이 너무나 많은 모여있는 행성이 바로 우리 지구입니다.

 

반세기 전부터 수많은 영감과 감동을 주었던 구소련 출신 미국인 천문학자 칼세이건은 지구를 두고 이런 말을 했습니다. 

“태양으로 부터 빛을 받는 아주 작고 창백한 푸른 점, 바로 여기에 우리가 살고 있습니다. 우리의 고향입니다. 우리 인간은 이 행성에 한 종(Species) 일 뿐입니다. 이것이 바로 우리가 지구를 소중히 생각해야 할 이유입니다. 이 작은 점은 우리 태양계에서, 생명의 은총을 받은 유일한 행성입니다.”

 

그림 5는 아주 의미 심장한 그의 역사를 다루고 있는 사진입니다. 1990년 어느 날, 우주 탐사선 보이저 1호가 태양계를 벗어나기 시작했습니다. 이 때 칼세이건은 보이저 1호의 카메라를 지구 쪽으로 돌릴 것을 지시했습니다. 사실 많은 반대가 있었으나, 결국 보이저 1호의 카메라는 지구를 포함한 6개 행성들을 찍을 수 있었고 이 사진들을 인류에게 전송했습니다. 이 사진들은 '가족 사진'이란 이름으로 대중에 공개 되었습니다. 

 

다만 수성은 너무 밝은 태양빛에 묻혀 버렸고, 화성은 카메라에 반사된 태양광 때문에 촬영할 수 없었습니다. 그림 5의 지구 사진은 이들 중 하나 입니다.

 

로마 신화 교역의 신 메르쿠리우스(그리스 신화에서 헤르메스)의 이름을 따서 명명된 수성(Mercury, 그림 6)은 우리 태양계에서 태양과 가장 가까이 위치해 있는 가장 작은 행성입니다. 태양과 가까운 궤도를 돌고 있기에 공전주기는 고작 지구의 1/3 수준(88일) 입니다. 수성에는 약한 자기장도 존재하는 것으로 확인되었습니다. 우리 태양계 내 행성 중에서 태양에 가장 가깝기 때문에 태양의 강력한 중력의 영향을 많이 받아 매년 조금씩 궤도가 바뀌는 행성입니다.

 

로마 신화 미의 여신 베누스(그리스 신화의 아프로디테)의 이름을 본따 명명된 금성(Venus, 그림 7)은 태양계의 두 번째 행성입니다. 순 한국말로는 샛별이라고도 불리는 금성은 태양 주위를 224일 주기로 돌고 있습니다. 

 

금성은 달에 이어서 우리 지구의 밤하늘에서 두 번째로 밝은 천체입니다. 금성은 크기와 화학 조성이 지구와 매우 비슷하여 지구의 '자매 행성'으로 불리기도 합니다. 금성의 표면은 반사도가 불투명한 구름으로 덮여있기 때문에 우리가 흔히 볼 수 있는 가시광선을 통해서는 표면을 관찰할 수는 없습니다. 

 

가뜩이나 두꺼운 금성 대기엔 이산화탄소가 풍부하기에 대기에 의한 온실효과가 발생합니다. 따라서 금성 표면의 온도는 400도까지 올라간다고 생각됩니다. 수성으로부터 태양까지의 거리는 금성의 절반밖에 되지 않기에 태양으로부터 받는 에너지는 단위 면적당 4배나 높습니다[10]. 하지만 온실효과로 인한 금성의 대기는 수성의 표면 온도보다도 더 높게 올라갑니다.

 

로마 신화 전쟁의 신 마르스(그리스 신화의 아레스)의 이름을 본따 명명된 화성 (Mars, 그림 8) 역시 지구형 행성입니다. 겉보기에 붉은색을 띠기에 동양에서는 불을 뜻하는 불'화'를 써서 화성이라고 불렀습니다. 

 

화성의 공전 시간은 지구보다 약 두 배 정도 깁니다. 달, 금성, 목성, 토성 다음으로 밤하늘에서 눈에 잘 띄는 화성은 아주 작은 두개의 위성을 거느리고 있습니다. 포보스(Phobos)와 데이모스(Deimos)는 아주 작은 크기 탓에 화성의 인력에 끌려온 소행성으로 여겨집니다. 둘의 이름은 그리스 신화 아레스의 자식들로, 전쟁에 항상 데리고 다녔다는 두 신의 이름에서 따왔습니다. 태양계를 통틀어 가장 많은 탐사가 시도되고 있는 화성은 생명체 여부 판단의 열띤 토론이 진행되고 있는 행성입니다.

 

목성의 형제들(가스형 행성들)

 

이제 화성밖으로 나가 보겠습니다. 화성 바깥쪽에는 태양계 안쪽 먼지 원반인 소행성 띠가 위치해 있습니다. 소행성 띠부터 바깥쪽 먼지원반인 카이퍼 띠사이에 4개의 행성이 더 있습니다. 지구형 행성보다 훨씬 더 넓은 궤도를 돌고 있는 목성의 형제들이 바로 그 주인공들 입니다. 

 

목성형 행성들에는 목성, 토성, 천왕성, 해왕성이 있는데 이들은 주로 수소와 헬륨 등 가스로 이루어진 가스형 행성입니다. 가스형 행성들은 공통적으로 모두 고리를 지니고 있고 자기장을 지니고 있습니다. 또한 수많은 자연 위성도 지니고 있습니다.

 

로마 신화 최고 신인 유피터(그리스 신화의 제우스)의 이름을 본따 명명된 우리 태양계의 가장 거대한 행성인 목성(Jupiter, 그림 9)은 반지름만 해도 지구의 10배가 넘고 부피는 지구의 1,000배가 넘습니다. 질량은 300배 이상인데 이는 부피에 비해서 질량이 작은 가스형 행성이기 때문입니다. 

 

그럼에도 이 엄청난 목성의 질량은 수성 + 금성 + 지구 + 화성 + 토성 + 천왕성 + 해왕성 + 안쪽 먼지 원반인 소행성대의 모든 천체 + 바깥쪽 먼지 원반인 카이퍼벨트대의 모든 천체 + 오르트 구름의 모든 천체 질량을 모두 합친것 보다도 2배 이상 무겁습니다. 

 

무거운 질량으로 인해서 목성은 태양도 크게 움직이게 할 수 있는 중력을 가지고 있습니다. 목성은 태양계 내의 천체들 중에서 유일하게 태양과의 공통 무게중심이 태양의 표면 바깥에 있는 행성이기 때문입니다. 거대한 질량에서 비롯되는 중력도 무시 무시해서 웬만한 탐사위성 따위는 바로 망가뜨리는 목성 덕분에, 인류는 컴퓨터와 촬영장비를 보호하기 위해 상당한 두께의 방사선 차폐물과 함께 탐사를 시도 하고 있습니다. 

 

너무 먼 거리에서 태양을 공전하는 탓에 공전주기는 12년이나 되고 먼 거리임에도 불구하고 지구에서는 금성 다음으로 밝게 보이는 행성입니다. 재미있는 사실은 목성도 토성처럼 고리를 가지고 있습니다. 고리를 구성하는 성분은 대부분이 먼지이며 워낙 희미하기 때문에 지상에서는 볼 수 없습니다. 현재는 추가로 발견된 고리까지 총 4개의 고리를 가지고 있다고 생각됩니다. 

 

앞에서 언급했듯 사실 모든 목성형 행성은 고리를 가지고 있습니다. 토성의 고리가 워낙 크고 아름다운 탓에 토성의 고리만 강하게 기억되는 탓일 뿐입니다.

 

로마 신화 농업의 신인 사투르누스(그리스 신화의 크로노스)의 이름을 따서 명명된 토성(Saturn, 그림 10)은 태양계에서 2번째로 거대한 행성입니다. 모두가 사랑하는 크고 아름다운 고리를 가지고 있는 토성입니다. 실제로 토성의 고리는 저가 망원경으로도 얼마든지 볼 수 있습니다. 토성은 지구와 비교하면 약 100배 정도나 무겁지만 중력이 겨우 지구 수준입니다. 

 

물론 행성의 구조적 부분이므로 비교 자체는 무의미 합니다. 지구 같은 암석형 행성이라면 물리학을 통째로 흔들 대발견이었겠지만, 토성은 아쉽게도 가스형 행성입니다. 토성은 모든 면에서 목성과 아주 비슷합니다. 토성도 목성과 마찬가지로 태양풍으로부터 밀려난 수소와 헬륨이 대기의 대부분을 이루고 있습니다. 또한 토성도 목성과 마찬가지로 대기에 자기장이 있기에, 목성과 토성의 지상에서도 오로라를 관측할 수 있을 것으로 보입니다.

 

그리스 신화 하늘의 신인 우라노스(로마 신화에서 세러스)의 이름을 따서 명명된 천왕성(Uranus, 그림 11)은, 로마 신화의 신 이름을 따르지 않고 그리스 신화의 신 이름을 따른 유일한 행성입니다. 우라노스는 최초로 우주를 지배했던 신이었지만, 자식들을 팽개친 바람에 아들인 크로노스(토성)에 의해 왕좌에서 쫓겨났습니다. 비슷하게 새로 발견된 천왕성이 토성보다 멀리 있기 때문에 마치 크로노스(토성)에게 쫓겨난 우라노스가 연상되었던 모양입니다. 

 

천왕성은 맨눈으로 볼 수 있음에도 불구하고 하늘에서 매우 느리게 움직이고 또한 너무나도 어둡기 때문에 그 존재가 오랫동안 인류에게 밝혀지지 않았습니다. 결국 처음 발견한 윌리엄 허셜조차도 혜성으로 착각할 정도였습니다. 

 

재미있는 점은 망원경으로 발견한 최초의 천체가 바로 천왕성이라는 사실입니다. 다른 가스 행성들과 마찬가지로 천왕성은 고리를 지니고 있고 자기장과 수많은 자연 위성을 지니고 있습니다. 지구의 자전축은 공전축에 대해 약 23.5° 기울어져 있습니다. 

 

하지만 천왕성은 약 97.77°나 기울어져 있기에 거의 공전면과 맞닿을 정도입니다. 따라서 신기하게도 태양계의 행성들 중 유일하게 옆으로 누워서 자전을 합니다. 천왕성의 북극 및 남극이 가리키는 방향은 지구에서의 적도가 가리키는 방향과 비슷합니다. 금성의 자전 방향이 다른 행성들과는 완전히 반대인 것과 함께, 천왕성 역시 특이한 자전을 하는 행성입니다.

 

로마 신화 바다의 신인 넵투누스(그리스 신화의 포세이돈)의 이름을 따서 명명된 해왕성(Neptune, 그림 11)은 지구보다 약 17배 정도 무거운 질량을 지녔습니다. 해왕성은 1846년에 발견되었는데, 수학적 계산을 통해 먼저 존재가 예측된 최초의 행성이었습니다. 천왕성의 궤도에 예기치 않은 변화가 있자 프랑스의 천문학자 알레시 부봐르는 천왕성의 궤도가 발견되지 않은 행성의 중력 섭동에 영향을 받고 있다고 추론했습니다. 바로 해왕성의 존재가 예측되는 주장 이었습니다. 

 

해왕성의 구성 성분은 천왕성과 비슷하며, 목성이나 토성 같은 거대 가스 행성들과는 성분상의 차이가 존재합니다. 해왕성의 대기는 물, 암모니아, 메테인 등이 얼어붙은 얼음질이 높은 비율을 차지합니다. 해왕성의 내부 구조는 천왕성과 마찬가지로 얼음과 암석으로 이루어져 있는 것으로 추정됩니다. 

 

따라서 천왕성과 해왕성을 거대 얼음 행성으로 따로 분류하기도 합니다. 또한 질량이 지구의 15배인 해왕성은 천왕성과 매우 비슷한 질량을 가졌습니다. 이러한 여러 가지 이유들 때문에, 우리는 천왕성과 해왕성을 쌍둥이 행성이라고 부릅니다.

 

각주

[8] 오랫동안 청소되지 않은 방이나 창고에 들어가보신적이 있으신가요? 이러한 공간안의 먼지들의 크기는 평소에 보던 먼지들과는 차원이 다르게 커져있는것을 볼 수 있습니다. 같은 원리입니다.

[9] 하지만 지구는 그리스 신화에서 대지의 여신인 가이아 (로마 신화의 텔루스)의 상징적 의미를 포함하고 있습니다.

[10] 거리가 2배인데 에너지가 4배라는것은 역제곱 법칙을 의미합니다. 이 역제곱 법칙은 물리학의 여러 힘의 법칙에서, 어떤 힘의 크기가 거리의 제곱에 반비례하는 것을 가리키는 말입니다. 이 규칙에 해당하는 것은 중력, 쿨롱의 법칙, 빛의 세기 등이 있습니다.

 

다음 글 보기 : 안녕! 태양계 주변의 (상대적으로) 작은 식구들

 

<외부 기고 콘텐츠는 이웃집과학자 공식 입장과 다를 수 있습니다>

 

김민재(mkim@astrophysik.uni-kiel.de)

Institute of Theoretical physics and Astrophysics,

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Germany

- CARMENES scientific member

- FOR 2285 Research Unit “Debris Disks in Planetary Systems” member