태양계 형성과 진화 이론

-태양계의 형성과 이론-
태양계의 형성과 이론은 태양계의 탄생에서 죽음에 이르는 일련의 과정을 연구해 그 과정을 이론으로 정립한 것이다. 이 이론은 시대의 흐름에 따라 발전해 왔으며, 천문학 및 물리학에서부터 지질학 및 행성 과학까지 여러 학문 영역을 종합시켜 주는 구실을 했다. 태양계 생성 이론은 수 세기에 걸쳐 발전했지만, 근대적 이론의 틀을 갖춘 것은 18세기에 이르러서였다.
1950년대에 우주 시대가 열리고 1990년대 중반 이후 외계 행성이 본격적으로 발견되면서, 태양계의 생성과 소멸에 대한 기존 이론들은 도전받음과 동시에 더욱 다듬어지게 된다. 지구로 전송된 바깥 세계에 대한 정보 덕분에 사람들은 태양계에 대해 더욱더 많은 것을 알게 되었다. 동시에 핵물리학의 발전은 항성에 대한 지식을 증진했고, 항성의 탄생 및 궁극적 최후에 관한 이론 수립에 이바지하게 된다. 헤아릴 수 없을 정도로 많은 항성 중에서 대부분은 태양처럼 행성을 거느린 것으로 여겨지고 있으므로, 태양계의 성인이 보통 항성의 경우와 다르다고는 생각되지 않는다. 태양계는 지금으로부터 약 46억 년 전, 거대한 분자 구름의 일부분이 중력 붕괴를 일으키면서 형성되었다. 붕괴한 질량 대부분은 중앙부에 집중되어 태양을 형성했다. 이상의 가설은 성운 모형으로 가장 널리 받아들여진 태양계 생성 이론이며, 18세기에 에마누엘 스베덴보리를 비롯하여 이마누엘 칸트, 피에르심도 라플라스가 개발했다. 반면 나머지 물질은 행성, 위성, 소행성 및 다른 태양계 천체들을 형성하게 될, 얇은 원반 모양의 원시 행성계 원반으로 진화하였다. 태양계는 처음 태어났을 때부터 격렬하게 진화했다. 많은 위성은 자신들의 어머니 행성 주위에 형성되어 있던 가스 물질과 먼지에서 생겨났다. 반면 일부 위성들은 행성의 중력에 이끌려 포획되거나 또는 천체끼리의 충돌로 생긴 파편이 뭉쳐서 생겨났다 (지구의 달이 이런 사례라고 추측하고 있다). 천체끼리의 충돌은 오늘날까지도 꾸준히 이어지는 현상이며, 태양계의 진화에서 중요한 부분을 차지한다. 행성들의 궤도는 안쪽 또는 바깥쪽으로 바뀌며, 행성들끼리 서로 위치를 바꾸기도 한다. 이러한 행성의 "이주" 현상은 태양계 초기 진화 때 발생한 것으로 추측하고 있다. 약 64억 년 후 태양의 표면 온도는 내려가며 부피는 크게 확장된다. 78억 년 후 태양은 자신의 외곽 층을 행성상 성운의 형태로 날려 보내며 백색 왜성으로 알려진 별의 시체를 남긴다. 행성 역시 태양과 같은 길을 걷게 된다. 머나먼 미래에 태양 주변을 지나가는 항성의 중력 때문에 서서히 행성의 궤도는 망가지게 된다. 행성 중 일부는 파멸을 맞게 될 것이며, 나머지는 우주 공간으로 내팽개쳐질 것이다. 결국, 수조 년이 흐르면, 태양은 자신을 공전하는 천체들을 모두 잃어버리고 홀로 남게 될 것이다.

-역사-
세계의 탄생 및 멸망에 관한 이론은 매우 오래된 문헌에서도 발견된다.
그러나 오랜 시간 인류는 이러한 생멸 이론을 태양계에 접목할 생각을 하지 못했다. 그 이유는 우리가 현재 익숙하게 태양계라고 부르는 체계는 과거 사람들에게 알려지지 않은 개념이었기 때문이다. 이 개념은 그것이 생겨난 뒤로 거의 천 년 동안 무시되어 오다가 17세기 말에 이르러서야 폭넓게 받아들여진다. 태양계’라는 표현이 처음 등장할 때는 1704년으로 거슬러 올라간다. 현재 천문학계에서 인정받는 성운 설은 18세기 이 이론을 스베덴보리와 칸트, 라플라스가 주창한 이래로 배척·반박을 받아 왔다. 성운 설이 무시되었던 가장 큰 이유는 태양의 각운동량이 행성들의 그것과 비교할 때 너무 작기 때문이었다. 이는 성운 설이 주장하는 내용과 일치하였고, 성운 설은 신빙성 있는 이론으로 재조명받게 되었다. 태양이 어떻게 진화할지를 연구하는 과정에서 태양이 어떻게 에너지를 만들어내는지를 이해하게 되었다.
에딩턴은 아인슈타인의 상대성이론에 따라, 태양의 중심핵에서 생기는 핵융합 작용에서 복사 에너지가 발생함을 증명하였다. [4] 1935년 에딩턴은 한발 더 나아가 여러 원소가 항성의 내부에서 만들어진다고 주장했다. [5] 호일 경은 적색 거성으로 불리는, 죽어가는 항성의 내부에서 헬륨보다 무거운 모든 원소가 만들어졌음을 제시함으로써 에딩턴의 주장을 보강했다.
적색 거성은 자신이 지니고 있던 물질을 우주로 분출하는데, 이 원소들은 다른 항성계를 구성하는 데 재활용된다.

-성운이론-
성운 이론은 현재의 태양계 형성 이론으로 에마누엘 스베덴보리가 1734년 제시한 학설이며, 이후 1755년 이마누엘 칸트가 보충하고 범위를 확장했다.
전태양 성운-운 이론에 따르면 태양계는 폭이 수 광년에 이르는 분자 구름의 일부분이 중력 붕괴를 일으켜 생겨났다. 2000년대 초까지만 해도 태양은 홀로 태어난다고 알려져 왔다. 그러나 최근 태양계 생성 초기부터 존재했던 운석의 성분을 조사한 결과 철-60과 같이 초신성 폭발을 통해서만 생길 수 있는 동위 원소의 흔적이 발견되었다. 이는 태양이 생겨난 곳 근처에 초신성이 여럿 있었음을 의미한다. 이들 초신성에서 나온 충격파는 태양 성운의 밀도를 증가시켰고, 중력 붕괴를 일으켰다. 전태양 성운의 지름은 7천~2만 천문단위였으며 태양의 1.001배에서 1.1배였다. 구성 성분은 수소와 헬륨(빅뱅 때부터 존재한 원소)이 98퍼센트, 중원소(최초 별들이 죽음을 맞으면서 우주 공간에 분출한 원소들)가 나머지 2퍼센트로 지금의 태양과 거의 같았다. 각운동량 보존의 법칙에 따라 성운은 붕괴하면서 회전 속도가 빨라졌다. 성운 내 물질이 뭉치면서, 물질 내부에 있는 원자는 더욱 자주 충돌하기 시작했고 열 형태로 에너지를 방출하게 되었다. 성운 물질의 대부분이 모여 있는 중앙부는 주변 원반 부에 비해 점점 더 뜨거워져 갔다. 약 10만 년에 걸쳐 중력, 가스의 압력, 자기장, 원반의 회전 등으로 발생한 에너지 때문에 압축되어 있던 성운은 평평해지면서 반지름 2천문단위 정도에 이르는, 회전하는 원시 행성계 원반으로 진화했다. 그리고 그 중앙부에는 뜨겁고 밀도 높은 원시별이 생겨났다. 태양계의 진화 과정에서, 이 시점의 태양은 황소자리 T형 항성 형태였을 것으로 추측된다. 다른 황소자리 T형 항성들을 연구한 결과, 이들은 태양 질량의 0.001배에서 0.1배에 이르는 원시 행성계 원반을 거느린 경우가 많은 것으로 드러났다. 온도는 그리 높지 않고, 가장 뜨거운 곳도 수천 켈빈 정도에 불과했다. 태양의 중심핵 부분의 온도 및 압력은 매우 높아지거나 커져서 수소는 융합 작용을 일으키기 시작한다. 태양의 내부에서 융합 작용을 통해 발생하는 복사압과 중력으로 말미암아 수축하려는 힘이 평형을 이루면서 유체 정역학적 균형 상태가 만들어지게 되었다.

-행성의 생성-
태양이 생겨나고 남은 가스 구름 및 먼지로 이루어진, 원반 모양의 ‘태양 성운’에서 여러 행성이 생성되었다고 여겨진다. 현재 인정받는 행성 생성 이론은 강착(降着) 이론이다. 강착 이론에 의하면, 행성들은 중심부의 원시별 주위를 도는 먼지 알갱이들이 뭉치면서 생겨났다. 이 알갱이들은 직접 서로 충돌하면서 지름이 1~10킬로미터에 이르는 천체, 곧 미행성으로 자라났다. 이 미행성은 작은 천체를 빨아들이면서 수백만 년에 걸쳐 매년 15센티미터 정도씩 지름이 커졌다. 태양과 가까운 지역(4천문단위 이내)은 온도가 높아서 물이나 메테인과 같은 휘발성 분자들이 압축될 수 없었기 때문에, 여기서 생겨난 미행성들은 금속류(철, 니켈, 알루미늄) 및 규산염 암석 등과 같이 녹는점이 높은 물질로만 이루어지게 되었다. 이런 암석 천체는 종국적으로 수성을 비롯한 금성, 지구, 화성과 같은 지구형 행성이 되었다. 지구형 행성을 이루는 물질은 우주에서 매우 희귀한 존재이기 때문에(성운 질량의 0.6퍼센트에 불과하다.), 지구형 행성은 크게 자라날 수가 없었다. 아기 암석 행성은 현 지구 질량의 약 10퍼센트 수준까지 자랐고, 태양 생성 후 약 10만 년 동안 물질을 끌어모으는 것을 멈췄다. 이후 이들은 충돌하고 뭉쳐지는 과정을 다시 시작했고, 지금의 크기로 자라나게 된다. 목성형 행성(목성, 토성, 천왕성, 해왕성)은 동결에선(화성과 목성 궤도 사이이며, 동결에선 바깥쪽부터는 태양 광선이 약하기 때문에 얼음 화합물이 고체로 존재할 수 있다.) 바깥쪽에서 생겨났다. 목성형 행성을 만든 얼음 물질은 거기에서 규산염 암석이나 금속보다 훨씬 더 흔한 존재였기 때문에 목성형 행성은 크게 자라났고, 질량이 커지면서 주변의 수소와 헬륨(우주에서 가장 흔한 원소들)을 효과적으로 끌어당길 수 있었다. 이론가들은 목성이 동결에선 바로 바깥쪽에 자리 잡은 것이 우연이 아니라고 믿고 있다. 동결 선에는 태양 쪽으로 끌려가는 얼음 물질로부터 증발한 많은 양의 물이 축적되었고, 압력이 낮아져 태양 주위를 도는 먼지의 속도가 증가하였으며, 따라서 이들은 태양으로 끌려가지 않게 되었다. 동결설은 태양에서 5천문단위 거리에 있는 물질이 빠르게 뭉칠 수 있는 보호벽의 역할을 했다. 이렇게 잔류한 물질은 대략 지구 질량 10배 수준의 씨앗 행성으로 자라났으며, 이후 궤도 주변에 있던 수소를 빠르게 삼키면서 대략 1천 년 만에 지구 질량 150배까지 자라났다. 이후 이 행성은 지구 질량의 318배까지 커지게 된다. 토성은 목성이 생겨난 지 수백만 년 후 형성되었고, 이 시기에는 남은 가스 물질이 적었기 때문에 목성보다 작은 질량을 지니게 되었다. 젊은 태양과 같은 황소자리 T형 항성은 평범한 주계열성보다 더 강렬한 항성풍을 발산한다. 천왕성과 해왕성은 목성과 토성이 생긴 뒤, 강력한 태양풍이 원반에 있던 물질 대부분을 쓸어 버렸을 때 형성되었다고 여겨진다. 남은 물질이 적었기 때문에 이들 둘은 적은 양의 수소와 헬륨(각각 지구 질량의 1배가 안 될 정도)만을 모을 수 있었다. 천왕성과 해왕성은 종종 ‘중심핵 성장에 실패한 존재’로 언급된다. [24] 이 둘의 생성 이론에서 가장 중요한 문제점은 이들이 생성되는 데 필요했던 시간이다. 현재 위치에서 천왕성과 해왕성이 지금 크기로 커지려면 1억 년 정도는 걸렸을 것이다. 따라서 천왕성과 해왕성은 지금보다 태양에서 더 가까운 곳(어쩌면 목성과 토성 사이)에서 생겨났을 것이며, 그 뒤 바깥쪽으로 궤도를 옮겼으리라 추측하고 있다. 미행성이 모두 태양 쪽으로 이동하지는 않았다. 스타더스트 탐사선이 혜성 와일드 2에서 채취한 성분을 분석한 결과, 초기 태양계가 생겨날 때의 물질은 따뜻한 태양계 안쪽 지대에서 카이퍼대로 이동했던 것으로 밝혀졌다. 젊은 태양에서 방출되는 항성풍은 원시 행성계 원반 내에 있던 모든 가스와 먼지를 성간 공간으로 불어 날렸고, 행성들의 성장은 끝을 맺게 되었다.

-이후의 진화 과정-
행성 탄생에 대한 기존의 견해는 태양계가 현재 위치의 근처 궤도에서 생성되었다는 것이었다. 그러나 천문학자들은 20세기 말에서 21세기 초에 걸쳐 이 이론에 근본적인 수정을 가하게 된다. 수정된 이론에 따르면, 현재 태양계의 모습과 처음 태양계가 탄생했을 때의 모습은 크게 다르다. 예를 들어 지금의 내행성 궤도에는 적어도 수성 정도 질량이 되는 원시 행성이 다섯 개는 존재했으며, 외행성계는 지금보다 훨씬 단순한 구도를 보이고 있었다고 한다.

"우주의 세계 오래전의 태양계의 이론과 진화는 어떠했는지 

포스팅 해봐요"

다음에도 좋은 정보로 올릴께요