1. 개요
태양계 기원설(太陽系起源說, Formation hypothesis of the Solar System)은 태양계의 기원과 그 형성 과정에 대한 천문학계의 가설을 말한다.2. 전개
예로부터 태양계의 형성에 대해서는 수많은 가설이 존재했다. 대표적인 가설로는 성운설, 와동설, 조석설, 미행성 응집설(현대 성운설) 등이 있다. 성운설은 성운이 수축되어 태양계가 형성되었다고 설명한다. 그러나 이 가설은 오늘날 태양의 느린 자전을 설명할 수 없다는 문제점이 있다. 한편 와동설과 조석설은 모두 태양에서 떨어져나온 물질이 태양계를 형성한 것으로 설명한다. 그러나 두 가설 모두 태양에서 떨어져 나온 물질은 행성으로 성장하기 전에 증발하므로 행성이 만들어지기 어렵다는 문제점을 안고 있다.현재까지 밝혀진 태양계의 여러 특징을 비교적 잘 설명해 주는 가설은 미행성 응집설이다. 미행성 응집설이 성운설과 다른 점은 성운설은 성운을 이루는 물질 전체가 원반처럼 회전하지 않고 각각의 중심을 향해 모여들어 태양과 행성을 형성한 것으로 설명하고 있지만, 미행성 응집설은 성운을 이루는 물질이 원반을 형성하면서 회전하여 뭉쳐져 태양과 행성을 형성한 것으로 설명한다.[1]
각각의 기원설에 대해서는 다음과 같이 정리할 수 있다.
3. 가설
3.1. 성운설
칸트-라플라스 성운설(Kant-Laplace nebular hypothesis)은 성운의 붕괴로 인해 태양계가 형성되었다는 가설이다.이 설의 최초 고안자 중의 한 사람은 순수이성비판으로 유명한 철학자 임마누엘 칸트이다[2]. 가스 물질로 이루어진 성운이 수축되면서 중심에 태양이 형성되고, 이후 주변에 남아 있던 물질이 뭉쳐져 행성이 형성되었다는 설이다. 현재 주류 천문학계에서 정설로 인정받는 미행성 응집설의 시초격인 학설이다.
3.2. 와동설
와동설(渦動說, cartesian vortex theory)은 19세기까지 널리 퍼져있던 가설로, 르네 데카르트 등이 당대의 지식으로 천체의 운동 원리를 설명하기 위해 제창하였다.우주를 채우고 있던 가상의 물질인 에테르 사이를 태양이 지나간다. 이 과정에서 생긴 와류에 의해 태양의 물질 일부가 떨어져 나와 뭉쳐져 행성이 형성되었다는 가설. 이 설은 에테르 자체가 마이컬슨-몰리 실험에 의해 부정되면서 폐기되었다.
3.3. 조석설
조석설(潮汐說, tidal hypothesis)은 1960년대까지 주류였던 가설로, 태양 근처로 다른 별이 지나가면서 서로 인력이 작용한다. 이 과정에서 태양의 물질 일부가 떨어져 나와 뭉쳐져 행성이 형성되었다는 설이다.3.4. 미행성 응집설
미행성 응집설(微行星凝集說, planetesimal hypothesis) 또는 미행성설(微行星說), 현대 성운설은 현대 천문학의 발전에 따라 칸트-라플라스의 성운설이 수정, 보완된 가설이다. 하술하듯 정설로 여겨지고 있어 표준 모델(Standard Model)이라고도 불린다.태양계의 기원이 되는 성운이 회전하면서 중력 붕괴하여 '원시 태양계 원반'을 형성하고, 이후 원반을 이루는 물질이 응축되어 미행성체를, 미행성체들이 서로 충돌하며 원시 행성을 형성했다는 가설로, 기존의 성운설과의 차이점은 성운설은 성운 자체가 중심으로 모여들어 뭉쳐진 것으로 생각했던 반면, 응집설은 회전하는 원반의 존재를 전제했다.
이러한 이론은 기존의 성운설에 대한 보완 가설로서 1900년 미국의 천문학자 체임벌린이 제창하고 몰튼에 의해 수정되었다. 이 당시까지만 해도 미행성 응집설 외에 조석설 등이 유력한 것으로 여겨졌으나 1960년대 러시아의 빅토르 사프로노프(Viktor S. Safronov)가 지구형 행성(암석 행성)의 형성 가설로서 재정립하고, 미국의 조지 웨더릴(George Wetherill)에 의해 발전되면서 유력한 것으로 떠올랐다. 이후 이를 지지한 일본의 하야시 주시로(林忠四郎)가 가스 행성을 포함하는 전체 태양계의 형성에 대한 모형을 정립(교토 모델)하였다. 오늘날에는 다수의 관측 결과에 따라 이 가설이 주류 천문학계에서 정설로 받아들여지고 있으며, 따라서 태양계 형성의 표준 모델이라고 불리고 있다.
미행성 응집설에 대한 세부적인 가설은 다음과 같이 나뉜다.
3.4.1. 미행성 응집설에 따른 태양계 형성 과정에 대한 가설
3.4.1.1. 초신성 폭발로 형성된 성운에 의한 형성 가설
적색왜성을 제외한 주계열성은 거성으로 팽창한 뒤, 질량에 따라 다르게 죽어간다. 바로 위의 미행성 응집설의 핵심은 태양과 태양계가 분자운(molecular cloud)[3]이 자체의 중력에 의해 수축하고 수축 과정에서 수소 원자가 높은 압력을 받아 뭉치며, 이 압력이 충분히 높아졌을 때 핵융합을 할 수 있게 되어 원시 태양이 형성된다는 것이 그 골자이다. 그리고 그 사이 나머지 성운 가스 등은 원시 태양 주위를 회전하며, 원심력과 구심력이 평형에 가까운 물질들은 원시행성형성 원반(protoplanetary disk)을 형성하고, 원시 태양의 양극에서는 쌍극분출류(bipolar outflow)를 분출한다.[4] 시간이 지나면서 원반 내의 물질들은 서로 뭉쳐서 행성들을 형성한다. 이 나머지 물질 들이 '태양 주위를 회전하며 원반을 형성하는 회전'을 하게 되는 이유에 대해서는 태양 성운 내의 밀도 차이 등 다양하게 추측하지만, 아직 이 부분에 대해서는 뚜렷히 설명해주는 가설은 없다. 다만 우주의 특정한 공간에서 발생하는 다양한 힘의 방향은 다르기 때문에 이 다른 방향에 따라 토크[5]가 발생하고, 수축 단계에서 이에 따라 발생한 각운동량은 커진다. 다만 각운동량이 너무 크면 행성 형성이 되기 어려우므로 이를 빼는 기작도 있으며, 이런 여러가지 기작에 의해 형성된다고 설명되고 있다.태양과의 거리가 4AU 이내인 행성은 태양이 내뿜는 열을 받기 때문에 구성하는 분자의 운동 에너지는 높아지고, 높은 운동 에너지에 따라 빠른 속도를 가지게 된다. 여기서 만약 분자가 일정 속도 이상으로 운동하면 행성의 중력을 이기고 빠져 나가는데, 이렇게 가벼운 분자들은 행성의 중력을 이겨내며 빠져 나가고 무거운 분자들만 행성들에 남게 된다. 즉 무거운 분자들은 상대적으로 속도가 느려서 중력에 잡혀서 남아 있던 것이다.[6] 이렇게 형성된 행성들이 지구형 행성이다. 4AU 밖에 있던 행성들은 태양의 열을 상대적으로 덜 받았고, 그래서 그 행성들 안의 분자 속도는 지구형 행성들의 경우보다 작았다. 그러다 보니 지구형 행성들이 가지지 못한 가벼운 분자들을 구성 요소로 가질 수 있었는데, 이 행성들이 목성형 행성이다. 한편 우주에는 무거운 분자보다 가벼운 분자가 훨씬 많으므로 목성형 행성들은 지구형 행성보다 훨씬 커진 것이다.또한 행성은 주변의 물질들을 흡수하여 점차 커지고, 예를 들어 명왕누대의 원시 지구와 거대충돌 가설상의 테이아와 같은 궤도상의 라그랑주점을 돈다거나 하는 행성이 궤도가 틀어지며 대형 충돌을 일으켜, 궤도 주변의 다른 천체들에 대한 지배권을 지니는 행성계가 나타났기에 현재의 모습이 나타난 것이다. 물론 이러한 현상은 진행형이기도 하다. 예를 들어 카이퍼 벨트에 있는 눈사람 모양의 천체 아로코트 같은 경우는 서로 공전하다가 느린 속도로 정면 충돌해서, 서로의 표면이 형성 당시 그대로 보존되어 있고, 원심력에 의해 납작해진 원형에 가까운 두 개의 소행성이 붙어 있는 형태인 일종의 접촉소천체(Contact binary) 형태가 유지되고 있다. 이러한 아로코트의 형성 과정으로 2020년에는 미행성이 부드럽게 뭉쳐 차츰 행성을 만들어진다는 이론이 발표되기도 했다. 형성이론 관련 기사, NASA에서 발표한 아로코트 형성 과정 영상 물론 이는 느린 속도로 정면 충돌한 하나의 사례이다. 전술한 거대충돌가설상의 테이야처럼 달을 생성할 정도로 크게 충돌하는 사례도 있고, 금성처럼 자전축 방향의 반대로 된다거나, 천왕성처럼 자전축을 기울게 만드는 형태로 비스듬히 충돌하는 경우도 있다.
3.4.1.2. 볼프-레이에별의 항성풍에 의한 형성가설
한편 우리 태양계 뿐만 아니라 다른 항성계들의 보다 상세한 분광형 조사가 가능해졌기에 각 항성계들이 지니고 있는 물질에 대해서 통계적 비교 연구가 가능해진 상황이다. 태양계가 초신성의 폭발 결과로 생겨난 성운이라는 가설이 세워진 것은 다른 일반적인 항성계들에 비해서 중원소들이 풍부한 편이기 때문이었다.
그런데 더 최근의 연구는 태양계는 초신성 폭발의 잔해에서 생긴 항성계치고도 중원소 금속의 비율이 너무 높았고, 그래서 한번의 초신성 폭발로 생성된 것이 아니고 1차 초신성 폭발의 잔해가 뭉쳐서 거대 항성이 생겼다가 다시 2차 초신성 폭발을 일으키고, 그 2세대 항성의 폭발 잔해가 뭉쳐서 태양계가 탄생해 중원소들이 누적되어 금속의 비율이 더욱 높아졌다는 식으로 설명이 되었었다. 즉 태양계는 3세대 항성이라는 설. 문제는 이런 기원설을 가지고도 동위원소들의 구성비율의 이론적 예측치와 태양계의 실제 비율과 잘 맞지 않는 문제가 있다. 구체적으로는 태양계의 중원소 중에서 특히 알루미늄-26이 풍부하고, 철-60은 매우 부족한 문제가 있었다.
최근에는 이를 설명할 수 있는 학설도 제기되어 학계의 뜨거운 관심을 받고 있다. 그것은 초신성 폭발에 의한 것이 아닌 볼프-레이에별의 항성풍에 의한 형성 가설이다. 볼프–레이에별은 태양보다 약 20배 정도 더 무거운 질량을 가진 주계열성의 최종 진화 단계인데, 질량이 태양과 비슷한 별에서는 팽창하면서 표면 온도가 낮아져서 적색 거성이 되지만, 질량이 큰 별에서는 여전히 온도가 떨어지지 않기 때문에 복사압이 높아져서 항성풍이 강해지므로, 팽창 과정에서 미치는 중력이 약해지게 되어 1년에 태양이 태양풍을 통해 상실하는 질량의 10억 배씩의 질량 손실을 내면서 물질들을 성간우주로 내보내고 있다. 그로 인해 초신성 폭발이 아님에도 성운 형태의 확장된 가스층을 만들어내고 있다. 이 볼프-레이에별의 항성풍의 분광을 조사하여 통계적으로 연구해 본 결과 초신성 폭발로 생겨난 성운과 달리 알루미늄-26이 풍부하고 철-60이 부족한 태양계의 상황을 설명할 수 있다는 설이 나왔고, 현시점에서 이 볼프–레이에별의 항성풍에 의한 가스층에 의해 태양계가 형성되었다는 설은 천문학계의 관심을 모으고 있다.
3.4.2. 미행성 응집설에 따른 태양계 형성의 원인에 대한 가설
3.4.2.1. 은하 통과 가설
위의 내용이 태양계 자체가 형성되는 과정에 대한 가설이라면, 그 태양계가 형성되는 원인에 대한 가설에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 최근에 우리 은하의 원반에 다른 왜소 은하의 통과가 태양계를 포함한 항성계를 형성했다는 가설을 통계적으로 검증하려는 연구가 있다. 구체적으로 설명하자면 다음과 같다.2020년 5월 네이쳐지에 발표된 ESA의 토마스 루이즈라라 팀의 관측 분석 결과를 정리한 논문에 따르면, 우리 은하에서 항성이 급증한 시기가 57억년 전, 19억년 전, 10억년 전이라고 하고, 이는 현재 78,300광년 거리에 있는 궁수자리 왜소 타원 은하(Sagittarius dwarf Spheroidal galaxy, Sgr dSph)[7]가 우리 은하의 원반을 통과한 시기와 일치한다고 한다. 그러면서 태양계는 이러한 57억년전의 궁수자리 왜소 타원 은하와 우리 은하 원반의 첫 조우 시기에 형성되었을 가능성이 있다고 한다. 이 논문의 공동 저자 중 한 사람인 카르메 갈라르트 박사는 태양계를 만든 우주먼지, 가스, 얼음결정 등이 궁수자리 왜소 은하와의 충돌에 의해 형성되었다는 직접적인 연관성을 입증하기는 힘들지만, 태양의 나이를 고려해 볼때, 이 급증기의 항성 그룹에 속하기 때문에 충분히 가능한 시나리오라고 말했다.[8]
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| 궁수자리 왜소 타원 은하의 우리 은하 원반 통과 |
4. 기타
태양계의 지구형 행성들은 목성형 행성보다 나이가 어리고 질량도 현재까지 발견된 외계 행성들보다 작은 경우가 많다. 현재 관측 기술로는 작은 천체를 발견하기 어렵기 때문. 여태까지 발견한 가장 작은 외계 행성은 케플러 138b로 화성과 비슷한 질량을 가지고 있다. 이를 설명하기 위해 목성이 태양계 형성 초기 현재 궤도보다 안쪽으로 이주해 주변의 다른 행성들을 파괴해서 그렇다는 이론도 존재한다. 그때 파괴된 슈퍼지구들의 잔해가 뭉쳐 형성된 게 지금의 내행성들이라는 것.#지구에 존재하는 풍부한 철과 각종 중금속은 지구가 단순히 성간 물질이 뭉쳐서 생겨났을 수 없음을 시사한다. 이런 무거운 원소들은 초신성 폭발 시에만 생겨나기 때문이다. 즉 태양 역시 지구와 마찬가지로 어떤 거대한 별이 초신성 폭발을 일으킨 후에 그 잔재가 다시 모여서 생성된 항성일 것이다.
[1] 고등학교 융합과학 교과서(금성출판사) 발췌.[2] 사실 임마누엘 칸트의 일생을 찬찬히 살펴보면, 철학자라기보다는 과학자에 더 가깝다. 특히 젊은 시절의 칸트는 빼도박도 못할 과학자이며, 막상 철학자로서의 업적은 늘그막에 과학 연구의 곁다리로서 철학에 발만 살짝 담근 정도에 불과하다. 현대의 학자로 치면 리처드 도킨스나 스티븐 호킹, 스티븐 제이 굴드에 더 가까운 타입이었다.[3] 성간의 저온, 고밀도 지역에서 가스들이 분자형태로 존재하는 곳. 반드시 초신성의 폭발 결과로만 발생했다고 하지는 않는다.[4] 여담으로 1990년대 허블망원경으로 이러한 핵융합하기 전의 아기별 상태의 원시행성형성 원반을 관측했으며, 전파망원경 ALMA에서 1mm 전파 파장 대역에서 관측함으로서 실체를 확인했다. 이러한 원반 중 잘 알려진 것으로 황소자리에서 발견된 HL TAU가 있다.[5] 건축이나 토목 전공자에게는 모멘트라는 용어가 더 익숙할 것이다.[6] 탈출 속도 항목을 참조하면 도움이 될 것이다.[7] 340만 광년 거리에 있는 궁수자리 왜소 불규칙 은하(Sagittarius Dwarf Irregular Galaxy, SagDIG)라는 우리 은하의 다른 위성 은하와 혼동 가능성이 있는데, 둘은 엄연히 다른 은하이다.[8] 참고문헌