1. 태양의 탄생
우리의 생명의 원천이자 삶의 터전이 된 태양과 태양계는 지금으로 부터 45억 7천만년전 쯤 시작되었다고 생각된다. 오늘날 태양계의 탄생을 설명하는 주요 이론은 바로 성운설이다. 성운설은 거대한 분자 구름이 붕괴되어 대부분은 태양을 이루고 일부는 주변에 원판 같은 원시 행성계 선반 (protoplanetary disk)을 이루어 여기서 여러 행성과 위성, 소행성들이 발생했다는 가설이다. 그런데 이 성운설 (nebular hypothesis = Solar Nebular Disk Model, SNDM) 은 생각보다 더 오래된 가설이다.
(성운설 모델의 컨셉 아트)
17/18세기에 이르러 인간의 과학적 지식이 발전하면서 태양계에 모습에 대해서 대략적인 모습을 알게 되자 과학자들은 이 태양계가 어떻게 생성되었는지에 대한 가설도 같이 내놓게 된다. 최초의 성운설 가설은 무려 1734년에 이르러 스웨던의 신학자이던 에마누엘 스베덴보리(Emanuel Swedenborg) 에 의해 제시되었다.
1755년에 독일의 대철학자인 이마누엘 칸트(Immanuel Kant)는 이를 좀더 가다듬었으며, 1796년에는 프랑스의 수학자 피에르시몽 라플라스 후작(Pierre-Simon, Marquis de Laplace)는 독자적인 성운설을 제시하기도 했다. (그래서 칸트 - 라플라스의 성운설이라고도 부른다)
(이마누엘 칸트)
그러나 그렇다고 이 가설이 곧 전폭적인 지지를 받았던 것은 아니다. 이 이론엔 한가지 지금도 완전히 해결되지 않은 단점이 있다. 그것은 태양이 가진 각운동량이 너무 작다는 것이었다. 거대한 성운이 회전하면서 응축이 되었다면 그 회전 속도가 꽤 빠를 텐데 행성들과 비교했을 때 태양의 회전 속도는 그렇게 빠르지 않았던 것이다. 그래서 이 이론은 사실상 거의 사장되기에 이르렀다.
대개 과학이 발전하면서 과거의 이론이 다시 살아나는 경우는 많지 않을 것이다. 그런데 이 성운설이 바로 그 드문 경우에 속하게 되었다. 1990년대 이후 천문학의 발전으로 인해 우주에서 새롭게 생성되는 태양계의 모습을 관측한 것이다. 여기서 과학자들는 태어나는 원시 항성을 둘러싼 원시 행성계 선반 (protoplanetary disk)의 모습을 확인 할 수 있었다. 이것이 의미하는 바는 성운설의 부활이었다.
(허블 우주 망원경이 관측한 오리온 성운의 원시 항성들 - 5개의 항성이 한꺼번에 생성되고 있는데, 가운데 있는 항성의 모습에서 원시 행성계 선반의 모습을 확인 할 수 있다)
오늘날 태양계의 생성은 현재 오리온 성운의 경우와 같이 거대 초신성의 잔해에서 발생하였다고 생각된다. 태양계 초기 부터 존재했을 운석에 대한 분석에서 철 - 60 과 같이 무거운 별의 초신성 폭발을 통해서만 형성될 수 있는 동위 원소들이 발견되었다. 이것은 태양이 초신성의 잔해에서 생성되었음을 의미하는 것이다.
현재 가설으로는 태양계가 생성된 장소의 주변에서 몇개의 초신성 폭발이 발생하였고, 이로인한 충격파에 의해 원시 가스의 압축이 일어나 수광년에 달하는 분자 가스가 7000 AU에서 2만 AU 정도 정도 크기의 전태양 성운 (Pre Solar Nebular) 으로 발달하게 된 것으로 생각하고 있다. (AU = 천문단위, 약 1.5억 km)
이 전태양 성운의 총 질량은 태양의 1.001 - 1.1 배 정도 였다고 생각되며, 주로 수소와 헬륨으로 구성되어 있으나 초신성의 잔해에서 나온 이보다 무거운 원소들도 같이 포함하고 있었다고 생각한다. 이것이 중요한 이유는 결국 이 초신성의 잔해 - 즉 핵융합 반응과 초신성 폭팔의 핵폐기물 - 가 없다면 지구를 비롯한 암석 행성과 인간을 비롯한 생명체들이 생길 수 없기 때문이다. 수소와 헬륨으로 구성된 천체에선 생명체가 생길 수가 없다.
전태양 성운은 점차 자체 중력으로 압축되면서 각운동량 보존 법칙에 의해 회전 속도가 더 빨라졌다. 중심부에서는 대부분의 수소와 헬륨 가스가 압축되면서 원시 태양이 형성되기 시작되고 그 주변의 원시 행성계 선반도 점차 회전 속도가 빨라지면서 서로 빈번히 충돌되어 점차 행성의 모습을 구성하기 시작했다고 생각한다. 이 과정은 10만년이란 비교적 짧은 시간내에 일어났다고 본다. 이 때 원시 행성계 선반의 크기는 반지름 200 AU 정도라고 생각된다.
당시 원시 태양의 모습은 오늘날 황소자리 T 형 항성 (T Tauri star) 과 비슷할 것으로 생각된다. 이 항성들은 주계열성으로 진화하는 초기 단계로 생각되며 대개 1억년사이에 압축되면서 지금의 태양과 같은 항성으로 진화 하게 되는 것으로 생각된다. 그리고 이들은 매우 강력한 항성풍과 자기장을 내뿜는 것으로 생각되는데 이것이 원시 항성이 가진 각운동량을 원시 행성계 선반으로 옮겨가게 만드는 것 같다.
이들 황소자리 T 형 항성에서 또 한가지 중요한 관측은 위의 오리온 성운의 초기 항성처럼 원시 행성계 선반을 가지고 있는 경우들이 많다는 것이다. 약 절반 정도가 이런 주위 원반을 가지고 있는데 이것은 태양처럼 많은 행성을 거느린 항성계들이 많을 것임을 시사하기 때문이다. 그렇다면 그만큼 우주의 어딘가에 외계 생명체가 존재할 가능성도 같이 커지는 것이다.
사실 이 단계를 넘어 지금과 같은 행성 시스템이 발전하는 것은 좀 더 복잡한 과정을 거치게 되지만 오늘의 주제는 태양의 탄생이니 이 정도에서 행성들의 이야기는 넘어가고 태양의 이야기에 좀더 촛점을 맞춰보자. (나중에 태양계 행성들의 생성에 대해 따로 포스트를 작성해 볼 계획이다)
2. 태양의 진화와 죽음
태양은 황소자리 T 형 항성에서 현재의 주계열성 (Main sequence) 단계로 진화한 이후 비교적 안정되게 핵융합 반응을 통해 에너지를 생산하면서 태양계의 현재의 모습을 유지하고 있다. 그러나 태양도 항상 일관되지는 않다. 태양은 초기에는 지금보다 차가웠다고 생각된다. 그러나 시간이 지나면서 점차 뜨거워 지는 것이다.
(참고로 과학자들은 태양이 38억년 - 25억년 전에는 지금의 75%의 에너지 밖에 낼 수 없었다고 생각한다. 그렇다면 지구는 꽁꽁 얼어 붙을 수 밖에 없다. 그러나 지질학자들은 이 시기에 지구에 액체 상태의 물은 물론 생명체의 존재도 확인했다. 여기서 내릴 수 밖에 없는 결론은 당시 지구 대기가 이산화 탄소를 비롯한 온실 효과 가스가 가득찬 대기였다는 것이다)
과학자들은 대략 10억년에 약 11% 정도 태양이 더 뜨거워 진다고 생각한다. 현재의 항성 이론에서 항성들은 핵융합 원료 - 처음엔 주로 수소 - 를 태우면 더 빨리 연소되고 뜨거워지기 때문이다. 사실 태양이 초기 보다 더 뜨거워 짐에 따라 현재는 우리가 사는 지구가 대량의 온실가스 없이도 인간을 비롯한 여러 생명체가 살기 적합한 행성이 되긴 했지만 태양이 점차 더 뜨거워지면 이제는 상황이 반대로 변한다. (여기서 대량의 온실가스라는 용어에 대해 설명이 필요하다. 현재 이산화탄소는 지구 대기의 0.03%에 불과하지만 막대한 온실효과를 일으키고 있다. 과거엔 지구 대기의 상당 부분이 이산화탄소나 메탄 같은 온실 가스로 생각된다)
(태양의 일생을 도표로 나태낸 것)
사실 태양의 미래에 대한 잘 못된 생각중에 하나가 태양이 주계열성으로 100억년 정도 존재하므로 앞으로 50억년 정도는 계속 지구를 비출 것이기 때문에 적색 거성으로 발달하기 전까지는 인류가 지구에서 생존할 수 있다는 것이다.
그러나 이는 잘못된 생각이다. 태양이 뜨거워 짐에 따라 생명체가 살기 적합한 생물권, 혹은 생명체 거주가능 영역 (habitable zone, HZ, 골디락스 존이라고도 함) 가 뒤로 물러나게 된다. 현재 우리 태양계에서 HZ 는 0.95 - 1.15 AU 정도로 생각된다. (아래 그림)
지 금으로부터 10억 년 후에는 지구의 온도가 점차 올라가면서 우리의 쌍둥이 행성인 금성의 모습을 점차 닮아가게 될 가능성이 높다. 적색 거성이 되기 전에 이미 지구는 생명체가 살기 어려운 행성이 된다. 아마도 10억년 후에는 대부분의 육상 생명체는 절멸하게 되며, 뜨거워진 바다에만 겨우 생명체가 존재하게 될 지 모른다.
하 지만 바다에 생명체가 존재하는 것도 바다가 다 증발하기 전까지일 뿐이다. 태양복사가 11%증가한다는 것은 단순히 온도가 그만큼 오른다는 것을 의미하지 않는다. 온도가 오른만큼 수증기가 많이 발생하는데 , 이 수증기는 또다시 온실 효과를 일으킨다. 여기에 지상의 생명체가 줄어들고 사막화가 일어나게 되면 대기중 이산화 탄소 농도도 같이 증가하여 온실 효과는 더욱 강해진다.
대략 35억년 후에는 지구의 모습은 현재의 금성과 비슷해질 것이다. 살인적인 온실효과로 기온은 섭씨 수백도에 이르며, 기압도 매우 높아져 심지어는 박테리아 마저 살기 어려운 환경이 될 가능성이 높다.
그 런데 한가지 재미있는 것은 그렇게 되면 생물권이 뒤로 밀려나게 되면서 화성에 생명체가 살기 적합한 환경이 조성될 것이란 이론이다. 물론 현재로썬 확인할 길이 없는 예측이긴 하지만 일단 화성의 기온이 올라가고 내부의 이산화탄소와 물이 녹으면서 따뜻한 바다를 가진 행성이 될 가능성이 있다는 것이다. 이전에 쓴 화성 테라포밍 같은 일이 생긴다는 것인데, 물론 가설의 하나일 뿐이다.
아무튼 54억 - 65억년 정도 흐르게 되면 태양의 중심부에 온도는 매우 뜨거워져서 이제 핵의 외부에서도 수소 핵융합 반응이 일어날 수 있게 된다. 이 단계가 되면 마침내 적색 거성의 단계에 이르게 되는 것이다.
태 양의 중심부가 아닌 외곽에서 핵융합이 일어나게 되면 에너지원이 표면에 가까워 지기 때문에 별은 크게 팽창하게 된다. 여기에 핵융합 연소가 빨라지면서 별은 2700배 까지 밝아진다. 그러나 이보다 팽창 정도가 훨씬 크기 때문에 별의 표면 온도는 크게 낮아져 2600 K 까지 떨어지게 된다. 결국 이 온도에서 별은 붉게 보이는 것이다.
(적색 거성이 된 태양의 모습, 아래의 노란 점이 현재의 태양이다 - 현재 태양의 지름은 0.01 AU 도 안되지만 적색 거성이 되면 2AU 에 달할 것이다)
태 양은 아마도 지금 지름의 200배의 이상의 크기로 커질 것으로 예상된다. 그러나 거대하게 부풀어오른 풍선 같은 태양은 외곽에서 대기 물질을 지금보다 쉽게 잃어버리게 되면서 급속히 질량을 잃어 종국에는 현재 가진 질량의 거의 40%까지도 소실하게 될 것으로 보인다. 일단 초기 적색 거성 단계에서는 강력한 항성풍을 내뿜으면서 질량의 10%를 잃을 것으로 생각된다. 태양은 이 적색 거성 단계에서 약 6억년 정도 존재할 수 있다. 짧은 시기지만 간단한 다세포 동물이 인간으로 진화할 수 있는 시간이기도 하다.
태 양의 크기는 이 단계에서 지구 궤도에 까지 이르지만 과학자들은 지구 자체는 (이미 생명체는 없어진지 오래일 것이다) 살아남을 가능성이 높다고 본다. 왜냐면 질량을 잃어버린 태양의 중력이 약해진 탓에 지구를 비롯한 태양 주위를 도는 천체들이 뒤로 후퇴할 것이기 때문이다. 지구는 현재 궤도 보다 더 멀어져 아마도 1.3 - 1.7 AU 정도 되는 궤도를 돌게 될 것이다.
과 학자들은 수성은 워낙 태양에서 가깝기 때문에 결국 적색 거성이 된 태양에 흡수될 것으로 보고있다. 금성의 운명도 아마 비슷하리라 생각된다. 지구는 지금의 화성궤도까지 후퇴하여 살아남을 가능성이 일단은 높아 보인다. 다만 그 시점에서 지구는 표면까지 모두 녹아내려 거의 용암덩어리 같은 행성이 되겠지만. (물론 조석 작용으로 결국 태양에 먹히리란 가설도 있다)
하 지만 모든 과학자가 이 의견에 동조하는 것은 아니다. 일부에서는 반론을 제기하기도 한다. 그 중 최근 재미있는 가설이 등장했는데, 금성과 지구, 화성이 서로 충돌할 가능성이 있다는 것이다. 그 가능성이 1/2500 정도라니 아주 작지는 않은 셈이다. 이와 같은 가설은 파리 천문대의 자크 라스카 교수등이 행한 컴퓨터 시뮬레이션 결과 나왔는데, 그 시점은 금성과 지구는 35억년 후, 그리고 화성과 지구는 50억년 후로 생각하고 있다. 그렇다면 적색 거성이 되기 전에도 충돌 가능성이 있다는 이야기다.
(지구와 금성 충돌의 상상 일러스트 - 그런데 기사와 함께 실린 저 일러스트는 문제가 있다. 35억년 후에는 지구는 더 이상 푸른 별이 아니기 때문이다)
아무튼 지구의 운명은 아마도 운좋게 태양에 흡수되지 않거나 혹은 다른 행성과 충돌하지 않는다면 결국은 적색 거성이 된 태양의 영향으로 그때까지 그나마 유지하던 대기도 모두 사라져 버리고 표면의 암석까지 모두 녹은 별이 될 것이다. 태양이 꺼질 때까지 말이다.
태양정도 되는 질량의 별은 초신성 폭발을 일으키진 않는다. 대신 태양은 몇 번의 과정을 거쳐 백색왜성이 된다. 일단 적색 거성이 된 태양은 외각에서 연소된 수소로 인해 중심부의 온도와 압력이 매우 높아지며, 이 온도와 압력에서 이번에는 헬륨이 탄소로 연소되는 핵융합 반응이 일어나게 된다. 이를 헬륨 섬광 반응이라 하는데, 이때는 다시 태양의 중심부에서 핵융합 반응이 일어나므로 태양이 수축하게 된다. 태양은 원래 지름의 11배 까지 수축하고, 밝기도 2700 배에서 54배까지 감소할 수 있다.
과학자들은 이 단계가 약 1억년 정도 가능하다고 보고 있다. 한동안 따뜻해졌던 태양계 외각은 다시 차가워지고 생물권은 다시 안쪽으로 이동한다. 그러나 헬륨을 태우고 나면 다시 같은 현상이 일어나서 태양의 밝기는 다시 2000배 이상으로 커지고 표면온도는 3500K 로 떨어진다. 이 단계가 3000만년 정도 지속되다가 마침내 물질을 계속 잃고 더 이상 연소가 어려워지면 태양은 10만년에 걸쳐 대량의 물질을 방출하며 죽음을 맞이한다.
이제 태양이 아니라 행성상 성운이 되는 것이다. 태양은 종국에는 마치 위의 사진의 고리 성운 처럼 주위로 수소를 비롯 탄소와 헬륨이 포함된 물질을 사방으로 뿌리게 된다. 그리고 이러한 물질이 나중에 다시 새로운 별의 재료가 될 것이다.
이 때 태양은 질량의 30%를 잃게 될 것으로 보인다. 남은 질량은 54 - 62% 정도 될 것으로 보이는 데 이들은 중앙으로 수축하여 큰 밀도를 지닌 별인 백색 왜성이 된다. 이 백색 왜성은 밀도가 매우 커서 그 크기는 지구보다 약간 큰 정도 밖에 되지 않을 것이다.
처음 백색 왜성은 탄소와 산소등 타다 남은 물질로 구성되는데, 아직 뜨겁기 때문에 매우 밝게 빛난다. 아마 현재의 태양보다 100배 밝을 수도 있다. 그러나 스스로 핵융합 반응을 일으킬 수 없기 때문에 점차 식게 된다. 20 억년이 흐른 후 백색 왜성의 표면 온도는 6000 - 8000 K 로 떨어진다. 이후에 태양의 핵도 식게 되고 90%이상의 물질은 결정형태로 바뀌게 된다. 이후 빛도 내지 않을 만큼 식게 되면 백색 왜성은 흑색 왜성이 되어 시야에서 사라진다.
그러면 그 때까지 지구가 살아있다면 어떻게 될까? 지구는 한번 녹았다가 다시 식으면서 얼어붙을 것이다. 대부분의 물은 잃은 상태일 것이고 절대 영도에 가까운 차가운 암석 행성이 될 가능성이 높다. 다만 위치는 약 1.9 AU 정도로 뒤로 밀려나게 될 것이다. 태양이 백색 왜성 단계까지 되면 중력을 잃기 때문에 행성들의 궤도도 다 태양에서 멀어지면서 혼란에 빠질 가능성이 높다.
그러면 인류는 ? 아마 인류는 지구 온난화와 환경 오염, 자원 고갈등의 문제로 수백년 이내로 멸망의 위기를 한번 넘어야 할 것이다. 이 과정을 넘어서면 - 사실 그렇게 되기 위해서는 지금 우리가 뭔가를 해야 한다 - 운좋게 지구 밖을 넘어서게 될 지 모른다. 그러면 태양의 종말 때 외계 행성에서 살아남은 인류가 이 광경을 볼수 있을까? 글쎄 그건 아무도 모르지 않을까? 당장 내일 일도 알 수 없는게 인간이니 말이다.
그런데 한가지 흥미로운 가설이 있다. 태양이 적색 거성의 단계에 이르면 생명권은 뒤로 크게 후퇴하게 된다. 그 때가 되면 토성의 위성인 타이탄이 이 생명권에 걸릴 수 도 있다. 그러면 타이탄에서 생명이 발생하게 될까? 아주 재미있는 이야기다. 과학자들은 지금의 타이탄의 대기의 조성이 지구의 초기와 비슷하다고 생각하고 있기 때문이다. 다만 타이탄은 얼음이 많기 때문에 거대한 바다를 가진 (사실상 육지는 없을 가능성이 높다) 물의 위성이 될 것이다.
사실 타이탄의 온도가 올라가기 전 목성의 위성들도 온도가 올라가서 얼음이 녹아 물의 위성이 될 것이다. 특히 이중에서 생명체의 존재가 의심되는 위성인 에우로파는 얼음 지각이 모두 녹아 거대한 바다를 가진 위성이 될 것이다. 그러나 온도가 너무 오르면 결국 수증기의 형태로 물을 모두 잃는 사태도 생각해 볼 수 있다. 하지만 혹시 그전에 에우로파에 있을 지 모를 생명체가 진화하지 않을까 ? 에우로파가 어쩌면 잠시라도 생명으로 가득한 푸른 물의 행성이 될까 ? 흥미로운 상상이긴 하지만 너무 미래의 일이다.
참고 : 에우로파 - http://blog.naver.com/jjy0501/100067770262
타이탄 - http://blog.naver.com/jjy0501/100067871906
(엉뚱한 상상 : 물의 행성 '아쿠아'에서 곤돌라를 운영하는 미소녀들을 그린 애니메이션 ARIA. 혹시 타이탄의 미래가 이렇게 될까? )
(다음에 계속됩니다)
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