태양계와 행성

와타나베 쥰이치, 이다 시게루, 사사키 쇼/ 오충식

지성사/2017. 2.10

sanbaram

우리가 사는 세상은 어떻게 이루어졌는지 궁금한 때가 있다. 밤하늘에 빛나는 별이나 달을 보면서 때때로 생각해보지만 학교에서 배운 지식 이외엔 별로 생각나는 게 없다. 물론 동화속에 나오는 세계라든지 공상과학 속에 나오는 이야기도 있지만 정확한 지식에 대한 열망을 충족시켜 주지는 않는다. <태양계와 행성>은 우리가 사는 이 세계의 구조에 대해 일본의 학자와 연구원들이 공동으로 밝혀진 사실을 정리한 책이다. 저자 와타나베 쥰이치는 일본 국립천문대 책임자 이며, 공저자 이다 시게루는 도쿄공업대학 대학원 이공학연구과에 근무하고 있고, 사사키 쇼는 일본 국립 천문대에서 일하고 있다.

<태양계와 행성>은 현대의 천문학 시리즈 중에 9권으로 출간된 책으로 내용은 8장으로 이뤄져 있다. 1장에서는 우리 태양계의 역학적, 열적 구조, 조성, 그리고 탐사에 대해 간단히 소개한다. 2장에서는 태양계 행성 중에서도 태양에 가까운 네 개의 지구형 행성에 대해 각각의 특징을 자세하게 소개하고 비교한다. 3장에서는 나머지 네 개의 모성형 행성에 대해 지구형 행성과 마찬가지로 그 특징을 소개하고 서로 비교한다. 4장에서는 행성 주위에 존재하는 고리와 위성의 구조에 대해 알아본다. 지구의 위성인 달에 대해 설명하며, 주목할 만한 위성인 목성의 이오, 유로파, 그리고 토성의 타이탄에 대해 자세히 설명한다. 그리고 각 행성의 고리에 관한 최신 정보를 소개한다.

5장에서는 다양한 소천체를 소개한다. 암석질의 소천체인 소행성, 그 파편이 지구로 낙하한 운석, 휘발성 물질이 풍부한 소천체인 혜성, 지구 대기로 날아 들어와 발광하는 유성, 태양계 외부에 존재하는 에지워스-카이퍼 벨트와 명왕성, 그리고 태양계 공간에서 압도적으로 많은 수를 차지하는 행성간 먼지에 대해 각각 소개한다. 6장에서는 현재까지의 태양계 기원론에 대해 알아보고, 원시행성계 원반의 탄생에서부터 지구형 및 목성형 행성의 형성과 대기의 기원에 대해 소개한다.

7장에서는 일반인들에게도 관심이 많고, 최근에 많은 진전이 있는 외계 행성 분야에 대해 다룬다. 그 발견의 역사와 현재의 정보를 소개하고, 외계 행성의 다양성에 관한 이론적 연구, 앞으로의 연구 발전에 대한 전망을 보여준다. 8장에서는 생명의 기원에 다가가는 방법으로, 초기 재료로 알려진 유기물과 얼음의 연구, 그리고 생명 탄생 초기의 지구 환경에 대해 알아보고, 실험실에서 이루어진 생명 탄생의 연구에 대해 소개한다.

“태양계 대부분의 질량(99%)은 항성인 태양이 차지하고 있고 행성을 포함한 나머지 천체를 모두 합해도 태양 질량의 100분의 1에 지나지 않는다.(p.18)” 태양에 가까운 네 개의 행성인 수성, 금성, 지구, 화성은 암석질로 이루어져 있고, 먼 쪽의 네 개 행성인 목성, 토성, 천왕성, 해왕성은 가스 비율이 높다. 전자를 지구형 행성, 후자를 목성형 행성이라고 부른다. 후자를 더욱 세분화하여 목성과 토성을 거대 가스(수소나 헬륨) 행성, 천왕성과 해왕성을 거대 얼음 행성이라고 부르는 경우도 많아지고 있다. 이 행성들은 태양의 적도면에 가깝고 한 평면에 거의 일치하여 분포하여 있다고 말할 수 있다. 지구의 궤도면을 황도면이라고 부르지만, 대부분 행성들의 궤도면은 이 황도면에서 10도 미만의 기울기를 갖고 있다. 보통 태양계의 끝이라고 하면 태양 중력의 영향이 미치는 중력권 안에 천체를 잡아두는 범위이며, 일반적으로 오르트 구름까지라고 생각할 수 있다. 한편, 행성이 존재하는 황도면 부근의 연장선에서 생각한다면, 카이퍼 벨트 천체 부근이 태양계의 끝이라고 생각하는 것이 타당할 수도 있다.

“제9행성으로 불렸던 명왕성은 카이퍼 벨트 천체로 흡수되었고, 최근에는 명왕성보다 더 큰 천체도 발견되고 있다. 이러한 천체를 행성이라고 할지를 논의한 결과, 국제천문연맹에서는 행성의 조건중 자기 궤도 주위에서 충돌, 합체나 중력 살란에 따라 다른 천체들을 없어지게 할 만한 천체가 아니기 때문에 이런 천체를 왜소행성이라 부르기로 했다.(p.19)” 2006년 국제 천문연맹에서 정한 새로운 분류이다. 소행성대에서 가장 큰 세레스, 카이퍼 벨트 천체인 명왕성과 에리스, 이 세 천체가 현재 왜소행성으로 분류되어 있다. 행성이나 왜소행성 이외의 천체는 태양계 소천체라고 하며, 소행성, 혜성, 카이퍼 벨트 천체, 행성간 먼지 대부분이 포함되어 있다. 혜성은 얼음을 비롯한 휘발성 물질을 가지고 있는 작은 천체로, 태양에 가까워지면 그 물질들이 증발하고 질량을 방출한다. 혜성은 긴 타원형의 궤도이지만, 거의 포물선이나 쌍곡선의 궤도를 그리는 것도 일부 존재한다.

“지구를 시작으로 자기장이 있는 행성은 독자적으로 자기권을 가지고 있어 그 자기권 내부로 태양풍이 직접 들어가는 것은 불가능하다. 하지만 태양풍과 자기권의 상호작용에 따라. 특히 극 부분에서는 고에너지 입자의 출입이 가능하며 오로라 등의 현상이 관측되기도 한다. 오로라는 지구뿐 아니라 목성이나 토성에서도 관측된다.(p.28)” 지구는 액체 금속 핵 속에 고체의 내핵이 존재하며 이 구조가 자기장을 생성하는 다이나모 현상의 유지에 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀졌다. 행성의 자기장은 태양풍 플라스마를 차단하고, 그 천체의 주위에 자기권이라 불리는 플라스마의 영역을 만든다. 지구 주위에는 지구 반지름의 10배 정도(태양 방향으로)의 자기권이 존재한다.

“달은 태양과 함께 천구에서 가장 겉보기 지름이 큰 천체이다. 달의 실제 크기(평균지름 3474km)는 지구의 약 1/4 또는 태양의 약 1/400 이다. 한편, 지구에서 달까지의 거리는 약 38만 km로 이는 지구에서 태양까지 거리의 1/400이다. 달과 태양의 겉보기크기가 거의 같은 것은 이러한 거리 차이 때문이며, 개기일식과 금환일식이 일어나는 이유이기도 하다.(p.147)”달의 궤도 장반경은 불변이 아니라 현재도 연간 약 3cm의 비율로 조금씩 지구에서 멀어지고 있다. 이는 조석마찰 효과에 따른 것이다. 조석팽창은 달에 공전운동을 가속시키는 방향으로 만유인력을 미쳐 달이 서서히 지구에서 멀어진다. 이 반작용으로 지구의 자전속도는 점점 줄어든다. 지구의 하루 길이가 현재보다 옛날이 짧았던 것은 퇴적암의 기록에서도 나타난다. 또한 형성 초기의 달은 지금보다 훨씬 가까운 궤도로 운동했을 가능성이 높다. 달의 질량은 지구의 약 1/80이고, 다른 위성의 모행성에 대한 질량비와 비교해 매우 크다. 질량의 절대값으로 비교해도 달은 태양계에서 다섯 번째로 무거운 위성이다.

“지구의 경우에 현재 알려진 가장 오래된 암석은 약 40억 년 전의 것이며, 광물의 경우도 약 43억 년 전이 가장 오래된 광물이다. 지구 형성의 시기는 약 45억 년 전으로 생각하고 있어 초기 수억 년간의 직접적인 자료는 존재하지 않는다.(p.335)” 이 시대의 상황을 추정하기 위해 오래된 암석에서 얻은 동위원소 정보가 이용되지만, 동위원소 데이터 분석이 어려울 뿐 아니라 그 해석이 항상 같은 결과를 보여주는 것은 아니다. 또한 추정에 쓰이는 데이터 자체도 적다. 지구 이외의 행성에서는 초기 환경 추정이 더욱 어렵다. 금성은 몇 억 년보다 더 오래된 표면이 남아 있지 않아 초기 단계의 상황을 추정하는 것이 어렵다. 그나마 화성의 경우에 행성의 초기 환경을 추정할 수 있는 가능성이 있다. 하지만 여전히 시대에 따른 환경의 변화를 나열할 수 있을 만큼의 충분한 정보는 아직 얻지 못하고 있다.

“지구 이외에 생명을 가진 천체가 있을까? 이는 누구나 품고 있는 궁금증일 것이다. 이 궁금증에 접근하려면 천문학과 생명과학의 경계를 허물어야 한다.(p.357)” 노벨의학생리학상 수상자인 레더버그는 1960년에 생명의 기원이나 우주에서의 분포를 다루는 학문 영역을 외계생물학이라 이름 붙였다. 그리고 나사(NASA)나 유럽우주국(ESA)의 생명 탐사 계획은 ‘외계 생물학 플그램’으로 불려왔다. 지금도 생명의 근원이나 외계 생물을 찾기 위한 노력은 계속되고 있다. 이 책에서는 고등학교 수준의 설명을 시도했다고 하고 있지만, 실제로 읽는 데는 생소한 용어와 천체물리학을 설명하는 수식들이 많아 쉽지 않았다. 그러나 태양계에 대한 여러 가지 궁금증을 풀 수 있어서 이쪽에 관심을 가진 사람들이 읽으면 상당한 도움을 받을 수 있을 것이라 생각된다.

*켄타우루스족 : 키론이나 플로스처럼 행성 궤도를 가로지르는 천체를 켄타우루스족이라고 하며, 지금까지 약 200천체가 발견되었다. 켄타우루스족은 태양계 외연부에 퍼져 있는 소천체의 역학적 산란이나 상호 충돌에 따라 그 궤도가 태양계 내부로 들어오게 된 천체라고 생각된다.(p.215)

(이 리뷰는 한국과학창의재단 사이언스올에서 실시한 ‘사이언스리더 2기’ 활동으로 작성되었습니다.)