밝혀지는 태양계
행성의 관찰   보데의 법칙   소행성대   두종류의 행성군  태양계의 기원

태양계는 어떻게 생성되었는가? 그리고 어떻게 진화되어 왔는가? 이 문제는 현대 과학이 당면한 과제중 가장 중요한 것 중의 하나로 인식되고 있다. 왜냐하면, 바로 우리 인간의 기원 및 지구의 탄생, 나 아가 우주 속에서의 인간의 위치와 관련돼 있기 때문이다. 태양계의 생성이 인류의 커다란 관심사인 만큼 역사를 통해서 그동안 많은 학자들이 이 문제를 다루어 왔고, 여러가지 모델들이 제안되 왔었다. 그러나 현재까지는 어느 모델도 완벽하게 태양계의 탄생과 진화를 밝혀주고 있지 못하다. 여기서는 현재까지 행성들에 관해 밝혀진 사실들로부터 보다 합리적으로 설명되어지는 가장 유력한 이론을 소개하고자 한다.

greensq.gif (861 bytes) 행성의 관찰

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그림 21. 태양계를 구성하는 9개의 행성들. 화성과 목성 사이에 소행성대가 있다.

 어떠한 이론도 우선은 태양과 태양 주위를 공전하는 행성들이 보여주는 규칙성과 특성을 설명하 는 것에서 출발하여야 할 것이다. 그 규칙성과 특성은 다음과 같이 정리할 수 있다.
  • 태양 주위를 공전하는 행성들은 같은 방향으로 회전하고 있으며, 공전 궤도는 명왕성을 제외하곤 거의 동일 평면상에 놓이며, 행성 주위를 도는 대부분의 위성들도 같은 방향으로 공전한다(그림 21).
  • 금성과 천왕성을 제외한 모든 행성들은 공전 방향과 같은 방향, 즉 반시계 방향으로 자전 한다.
  • 각 행성은 태양으로부터 `보데의 법칙' (Bode's rule)으로 알려진 질서적인 배열을 한다. 즉, 태양으로 멀어질수록 행성간의 거리는 약 2배로 증가한다.
  • 태양은 태양계 전체 질량의 99.9%를 차지하는데 반하여, 각운동량의 99%는 목성, 토성과 같은 큰 행성들에 집중되어 있다.

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그림 22. 행성들의 상대적인 크기와 거느린 위성들. 목성이 가장 크고 명왕성이 가장 작다.
  • 태양계 행성들은 수성, 금성, 지구 및 화성의 태양계 안쪽 행성(내행성)과 목성, 토성, 천왕 성, 해왕성, 및 명왕성의 태양계 바깥쪽 행성(외행성)으로 나뉜다. 전자를 육성 행성 (terrestrial planet) 또는 지구형 행성이라고 하며, 후자(명왕성 제외)를 거대 행성 (giant planet) 또는 목성형 행성이라고도 한다(그림 22).
  • 지구형 행성은 크기가 작고 치밀한 고체로 이루어져 있으며, 주성분은 약 90% 이상이 지 구의 암석과 같은 무거운 성분인 Si, O, Mg, Fe로 이루어져 밀도가 높고(4~5.5) 자전 속도가 느린 반면, 거대 행성은 주로 가스 성분(±99%=H, He)으로 이루어져 낮은 밀도(0.7~1.7)를 갖고 있으며 자전 속도는 빠르다.
greensq.gif (861 bytes) 보데의 법칙  bup.gif (108 bytes)
일찍이 케플러는 앞서 밝힌 바와 같이, 행성의 운동에 대하여 세 가지 법칙을 발견하였지만, 행성이 태양으로부터 정해진 거리에 있는 이유를 설명하진 못하였다. 1766년 티티우스 (Titius)라는 독일의 천문학자는 행성과 태양사이의 거리에 대한 간단한 규칙을 발견하였다.

즉, 이웃하는 두 행성들간의 거리는 태양으로부터 안쪽으로 놓여진 이웃하는 두 행성들간의 거리의 두 배의 관계에 있다는 것이다. 이것을 보데 (Bode)는 공식화하였으며, 이를 보데의 법칙(Bode's rule) 또는 보데-티티우스의 법칙이라고 하며 그 과정은 다음과 같다.

우선 '0'에서 시작하여 '3' 그리고 2배씩 증가하는 수열을 생각해 보자. 즉, 0, 3, 6, 12, 24, 48, 96, 192, ...으로 나열하고 이 숫자들에 각각 4를 더한 다음 10으로 나누면 0.4, 0.7, 1.0, 1.6, 2.8, 5.2, 10.0, 19.6, ... 이라는 숫자가 배열된다. 여기서 4를 더하여 10으로 나눈 것은 태양에서 지구까지의 거리를 1로 만들기 위한 것으로 이를 1 AU(천문단위, atronomical unit: 1AU는 1억5천만 km)라 한다.

표 1은 보데의 법칙과 관측된 행성과의 거리를 비교한 것이다. 표 1에서도 알 수 있듯이 행성과 태양과의 거리가 관측된 거리와 거의 일치하는 것을 알 수 있는데, 예를 들어 태양과 수성의 거리는 0.4AU (실제거리 0.39AU), 태양과 금성은 0.7AU(실제 0.72), 태양과 화성은 1.6AU(실제 1.52) 등 잘 맞아 떨어지고 있다.

　
표 1. 보데-티티우스의 법칙과 태양-행성간의 거리의 관계
행성 수성 금성 지구 화성 소행성대 목성 토성 천왕성
보데의법칙 0.4 0.7 1.0 1.6 2.8 5.2 10.0 19.6
실제거리(AU) 0.39 0.72 1 1.52 ? 5.20 9.54 19.2

* 보데-티티우스의 공식: 0.4 + 0.3 x 2n ; 1 AU (astronomical unit, 천문단위) = 1억5천만 km
그러나 여기서 하나 주목할 것은 명왕성을 예외로 제외하면, 보데의 숫자들이 관측된 행성의 거리와 거의 일치하고 있는데, 화성과 목성 사이의 2.8AU 부근은 실제와 일치하지 않고 있다.

이러한 보데의 법칙이 관심을 모은 것은 허셀(Hussell)이 보데의 법칙으로 예언된 천왕성을 1781년에 발견한 이후이다. 그 후 천문학자들은 2.8AU 부근에서 혹 발견하지 못하였을 행성, 다시 말해서 잃어버린 행성을 찾기 시작했다. 그 결과, 1801년 궤도 반경 2.77AU의 위치에 새로운 천체인 세레스 (Ceres)가 발견된 후, 현재까지 약 4천개의 직경 1km이내의 소행성이나 미행성을 발견되었다.

이 작은 천체들은 화성과 목성 사이에서 커다란 띠를 이루고 행성처럼 일정한 궤도를 유지하여 이들을 소행성대(astroid belt)라고 부르고 있다. 천왕성과 소행성대의 발견이 보데의 법칙의 덕택이라고는 하지만, 법칙으로 하기에는 물리적으로 합리화된 이론적 근거가 없으므로, 현재는 하나의 규칙으로 인정할 뿐이다. 실제로 외행성인 해왕성의 경우 오차가 크고 명왕성에는 전혀 맞지 않고 있다.

greensq.gif (861 bytes) 소행성대(Astroid Belt)  bup.gif (108 bytes)
보데의 법칙에서 예언된 바와 같이, 화성과 목성 사이의 2.8AU의 위치에 행성이 있을 것이라 추측되어 왔으나 1801년에 이르러 이탈리아의 천문학자 피아치 (Piazzi)에 의해 2.77AU의 위치에 새로운 천체가 발견되었다. 보데의 법칙에서 예언된 2.8AU와 상당히 일치해, 제5의 행성으로서 세레스 (Ceres)란 이름이 붙여졌다. 그러나 세레스는 직경이 950km로서 행성이라고 하기에는 너무 나 작았기 때문에 천문학자들은 행성 탐색을 계속하였다.

그 1년 후, 독일의 천문학자 올버스에 의해 세레스와 비슷한 거리에서 다른 희미한 천체를 발견하여 팔라스 (Pallas)란 이름을 붙였다. 그러나 이 행성은 더 작아 그 직경이 560km 밖에 되지 않았다. 그 후, 주노 (Juno), 베스타 (Vesta) 등의 새로운 소행성이 발견되었는데, 현재까지 거의 4천개의 작은 천체들이 발견되었으며 아직 발견되지 않은 것들까지 합치면 거의 10만 개가 될 것으로 추측하고 있다.

이들 소행성들은 대부분 태양에서 2.0~3.5AU 떨어진 곳에서 위치하여 띠 모양의 소행성대 (asteroid belt)를 형성하며 공전 주기는 3~8년 정도이다. 평균 궤도 이심율은 0.15인데, 이카루스 (Icarus)처럼 이심율이 0.83이나 되어 근일점이 수성 궤도 안쪽에 있게 되는 것도 있다. 소행성의 직경은 세레스가 950km로 가장 크고 다음이 팔라스(560km), 베스타(200km), 주노 (80km)의 순이며 그 외의 대부분은 1km 정도의 크기를 가진 것으로부터 조그만 암편에 이르기까 지 다양하다. 크기가 이처럼 작기 때문에 행성처럼 자신의 중력에 의하여 구형의 형태를 이루지 못하고 매우 불규칙한 모양을 띠고 있다.

예를 들면 소행성 에로스 (Eros)는 7x19x30 km 크기의 장방형인 것으로 밝혀졌다. 소행성의 질량이 모두 합해도 지구 질량의 1천분의 1밖에 되지 않는다. 이처럼 소행성의 질량이 작은 이유는 태양계 행성중 가장 질량이 큰 목성의 근처에서 만들어졌기 때문인 것으로 추측된 다.

한편, 소행성 사이의 충돌 확률은 다른 행성들에 비하여 매우 높아서 비교적 큰 행성이 소행성대에 몇 개 만들어졌더라도 후에 충돌을 일으켜 여러 개의 작은 천체들로 부서졌을 것으로 추측된다. 지구에 떨어지는 운석들은 바로 소행성대의 부서진 조각들이 지구의 인력에 끌리어 떨어지는 것 이다. 이미 제 1 장 '지구라는 행성'에서 소개하였듯이, 2만5천년 전에 직경이 약 50m되는 소행성 의 조각인 운석이 지구에 떨어져 직경 1.5km나 되는 커다란 운석공(크레이터)을 아리조나주에 남겼다.

greensq.gif (861 bytes) 두 종류의 행성군  bup.gif (108 bytes)

그림 15a

그림 23. 지구형 행성인 수성, 금성, 지구, 화성 (왼쪽부터). 크기가 상대적으로 작으며, 철, 규소, 산소 등 무거운 원소로 이루어져 있다.


그림 15b

그림 24. 목성형 행성인 목성, 토성, 천왕성, 해왕성 (왼쪽부터). 크기가 크며 수소와 헬륨으로 이루어져 있다.

 태양계의 행성들은 그 크기와 구성물질에 따라 두 가지로 분류된다. 즉 지구와 같이 철, 산소, 규소 등의 무거운 원소로 이루어진 지구형 행성(Earthlike, terrestrial planet) (그림 23)과 주로 수소와 헬륨으로 이루어진 거대 행성인 목성형 행성(Jupitorlike, Jovian planet) (그림 24)이다. 수성, 금성, 지구 및 화성이 전자에 속하고, 목성, 토성, 천왕성, 및 해왕성이 후자 에 속한다. 그리고 지구형 행성과 목성형 행성의 경계부인 화성과 목성 사이에 약 4천개의 작은 미행성이나 소행성들의 집단인 소행성대가 놓여 있다.

모든 행성들이 하나의 원시 성운에서 함께 탄생하였음에도 불구하고, 구성 성분이 다른 두 가지의 종류의 행성으로 나누어지게 된 것은 행성 생성 당시의 온도에 의한 것으로 생각되고 있다. 즉 태양으로부터의 거리가 다르면 행성의 온도가 달라지고 다른 화학 조성을 갖게 된다.

태양계 안쪽에서 생성된 지구형 행성의 주성분은 금속의 핵과 암석질의 맨틀이다. 내부 구조의 규모와 조성은 태양과의 거리에 따라 조금씩 다르다. 태양에 가까운 수성이나 금성은 보다 무거운 철과 니켈의 핵과 규소, 철, 및 산소의 맨틀과 지각으로 이루어져 있으며, 화성은 다소 가벼운 성분으로 이루어져 있을 것으로 생각되는데 철과 황화철 (FeS)로 이루어진 핵과 철, 마그네슘 규산염의 맨틀, 및 알루미늄 규산염의 지각으로 이루어져 있다.

목성형 행성은 주로 수소를 주로 하는 기체와 그것이 액화한 것이 대부분을 차지하는데, 내부 구조는 중심 부분에 고체의 핵이 있고, 그 주위에는 금속 수소의 층이 있다. 또한 바깥쪽을 액체 수소의 층이 덮고 있고, 마지막에 수소와 헬륨을 주성분으로 하는 대기층이 있다.

목성형 행성들의 가장 큰 특징은 동서로 발달한 '줄무늬'이다. 언뜻 보면 아무런 무늬도 보이지 않는 천왕성에도 컴퓨터 화상 처리 결과, 다른 행성과 마찬가지로 똑 같은 줄무늬가 있다는 것을 알게 되었다. 이러한 줄무늬는 거대한 목성형 행성들이 고속 자전에 의해 생성된 대기 중의 강한 동서풍과 깊은 관계가 있는 것으로 과학자들은 생각하고 있다. 동서풍은 행성 내부에서 솟아오르는 열에 의한 대류 운동과 자전에 의한 코리올리 힘에 의해 만들어지는 것으로 알려져 있다. 특히 이러한 운동은 목성의 대적점, 토성의 대백점, 해왕성의 대흑점 같은 대기의 불규칙한 소용돌이의 원인이 되기도 한다.
greensq.gif (861 bytes) 태양계의 기원  bup.gif (108 bytes)
태양계는 어떻게 생성되었는가? 태양계의 기원에 관해서는 앞에서 이야기한 태양계의 성질을 근거로 여러 가설과 이론이 제기되어 왔다. 최근, 보이저에 의한 외행성에 관한 여러 새로운 사실들이 밝혀지고 보다 상세한 관측에 의해 태양계의 기원에 관한 진일보된 모델이 세워지게 되었는데, 호주의 수학자 프렌티스 박사에 의해 새로운 이론이 제안되었다.

종래의 학설로 널리 알려진 것으로는, 성운설(星雲說, Nebular hypothesis), 소행성설(小行星說, Planetestimal hypothesis), 및 조석설(潮汐說, Tidal hypothesis)이 있다.

성운설은 독일의 철학자 칸트 (I. Kant, 1724~1804)에 의해 제기된 후, 프랑스의 수학자 라플라스 (P. Laplace, 1749~1827)가 다시 제안하였다. 성운이라고 하는 가스의 집합체가 천천히 회전하면서 수축해 가는 과정에서 회전 속도가 빨라지면서 여러 개의 구형체들이 분리되어 떨어져 나와 행성들이 되었다는 가설이다. 성운설은 태양과 행성들의 자전과 공전 방향의 일치성을 설명할 수 있었으나, 각 행성을 형성하는 고리의 질량이 행성으로 응집할 수 있는 중력을 공급하기에는 충분치 못하다는 반대 이론을 극복할 수 없었다.

소행성설은 미국의 지질학자 챔벌린 (T. Chamberlin, 1843~1929)이 주장하였는데, 원시 태양 주위의 다른 별이 근접 통과할 때, 인력에 의해 태양으로부터 소행성 (planetestimal)과 같은 작은 덩어리들이 다량으로 끌려나와 통과하는 별의 평면을 따라 태양을 회전하면서 행성들을 이루게 되었다는 것이다. 그러나 이 가설은 태양으로부터 끌려나온 물질은 온도가 거의 백만도에 달해, 행성으로 응집되기보다는 우주 공간으로 흩어졌을 것이라는 천문학자들의 반대에 부딪치게 되었다.

조석설은 영국의 지구물리학자 제프리 (H. Jeffrey)와 천문학자 진스 (J. Jeans)가 제창한 것으로 소행성설의 약점을 보완한 것이었다. 이 설은 원시 태양 주위에 또 하나의 별이 접근할 때 생기는 인력으로 태양으로부터 끌려나온 물질은 소행성과 같은 덩어리들이 아니라 바다의 조석 현상 에서와 같이 가스의 연속체였을 것이며, 이들이 분리되어 행성으로 성장하였다는 것이다.

소행성설과 조석설은 원시 태양에 접근하는 또 하나의 별을 전제로 하고 있으므로 이 두 가설을 합쳐 충돌설 (Collision hypothesis)라고도 하는데, 이 두 설의 약점은 우주의 거대한 공간에서 우연히 원시 태양과 또 다른 별의 접근 가능성이 극히 희박하다는 것이다.

프렌티스 박사가 제창하고 있는 태양계 생성 이론은 라플라스의 성운설과 비슷하다. 즉 원시 태양계 성운에서 가스가 수축하는 과정에서 가스 고리가 남게 되며 그 고리 안에서 행성이 형성 된다는 것으로 그 고리의 존재가 최대 특징인데, 그는 자신의 이론을 `현대판 라플라스 이론' (Neo-Laplace theory)이라 부르기도 한다. 다만 프렌티스 박사는 라플라스의 성운설의 문제점을 지적하였는데, 원시 태양이 만들어지는 초기 단계에서 성운 가스가 왜 수축하는가를 설명하지 못한다는 것이었다.

　

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그림 25. 원시 태양계의 형성 과정. 태양과 주변의 행성들이 함께 탄생하였음을 보여준다.

 따라서 그의 이론은 수축의 중심이 되는 가스 덩어리의 핵에서 출발하였으며 그 생성 과정은 다음과 같다. (그림 25)
  1. 최근 수 십년간의 천문 관측에 의하면, 우주 공간이나 성운 가스 속은 텅빈 진공이 아니라 희박하지만 물질들로 가득 차 있는데, 이를 드문 물질 (rarefied matter)이라고 하며 수소와 헬륨으로 이루어진 99%의 가스와 1%의 먼지로 구성되어 있다는 것이다. 1%의 먼지는 지구의 구성 물질들과 비슷한 광물과 얼음 결정, 및 유기물 등 무거운 성분들로 되어 있다. 이들 먼지들은 가스 분자들에 비해 아주 무겁기 때문에, 서서히 회전하는 성운 가스의 중심을 향해 침강하여 핵 (core)을 이루는데, 성운 가스 덩어리의 크기는 해왕성 궤도의 약 750배에 이른다.(그림 25-1)
  2. 핵은 커감에 따라 중력이 커져 주변의 먼지와 가스를 끌어들이며, 원시 태양계 성운이 형성된다. 이 때부터 원시 태양계 성운은 독자적인으로 수축을 시작하는데 회전도 점차 빨라진다. 이때 지름이 해왕성 궤도의 150배의 크기이며 온도는 -258도이다(그림 25-2).
  3. 수축은 해왕성 궤도에 이를 때까지 15만년 동안 진행되며, 회전 속도가 상승하여 원시 태양계 성운의 표면에서는 초음속 가스의 제트류가 발생하면서 최초의 해왕성 고리가 형성되기 시작한다. 이 때의 원시 태양은 자전 때문에 약간 납짝해지며 온도는 -246도로 떨어진다. 원시 태양은 수축에 방해가 되는 회전 운동량을 가스 고리에 넘겨 주게 된다. 맨 먼저 해왕성 궤도에 회전 운동량을 넘겨준 결과, 천왕성 궤도까지 수축할 수가 있으며, 천왕성 궤도에 다시 회전 운동량을 넘겨준 원시 태양은 수축을 계속할 수가 있는 것이다. 여기서 가스는 도넛 모양으로 남게 되는데, 회전 운동량이 거의 일정 비율로 가스 고리를 남김으로써 보데의 법칙이 보여주는 규칙성이 설명된다. 그림 25-3는 천왕성 및 해왕성 궤도 그리고 토성의 가스 고리가 형성된 장면이다. 이 때가 가스운에서 분리된지 30만년 후이며, 지름은 해왕성 궤도의 3분의 2, 온도는 -200도가 된다.
  4. 가스운에서 분리된지 약 50만년이 경과하게 되면, 태양의 수축은 거의 절정에 이르러 수축 속도 는 느려지는데, 그 지름은 해왕성 궤도의 320분의 1이며 온도는 2700도에 이른다. 태양 내부에서는 핵융합이 시작되면서 많은 빛과 열을 발산한다. 이 무렵 8개 행성들은 각각의 가스 고리로부터 형성되면서 태양의 복사열에 의해 고리는 붕괴된다. 여기서 행성의 형성은 가스 고리의 회전 속도에 의해 결정이 되는데, 고리 속의 고체 입자는 회전하면서 고리의 중앙부에 모이고, 고리 내의 가스의 저항으로 입자들의 속도는 매우 느리게 된다. 따라서 입자들끼리 충돌에 의해 파괴되지 않고 함께 뭉쳐질 확률이 높아지며, 합쳐진 입자들은 자체의 중력으로 덩어리가 모여 미행성이 되고, 미행성이 충돌·합체하여 행성이 된다(그림 25-4).