지구과학 고2 태양계 천체와 별과 우주의 진화

태양계 형성

성운설(원시 태양 성운의 수축·회전)로 태양계가 형성된 과정과 행성 분류를 이해한다.

태양계는 거대한 성운이 중력으로 수축하면서 회전이 빨라져 납작한 원반이 되고, 중심에는 원시 태양이, 원반에서는 미행성체가 뭉쳐 행성이 만들어졌다는 성운설로 설명합니다.

피자 반죽을 돌리면 저절로 납작하고 둥글게 퍼지듯, 회전하는 성운도 수축하면서 저절로 원반이 됩니다. 행성들이 하나같이 같은 평면에서 같은 방향으로 도는 이유는 그 원반의 흔적입니다.

쉽게 말하면

태양계의 모습을 보면 이상할 정도로 규칙적인 것이 있습니다. 여덟 행성이 거의 같은 평면에서, 같은 방향으로, 원에 가까운 궤도를 돕니다. 태양의 자전 방향도 같습니다. 이 우연 같지 않은 규칙성이 태양계 형성 이론이 반드시 설명해야 할 첫 번째 숙제입니다.

성운설은 이렇게 답합니다. 처음에 있던 것은 수소와 헬륨이 대부분인 거대한 기체·먼지 구름, 즉 성운입니다. 이 구름이 자체 중력으로 수축하기 시작하면, 아주 느리게 돌던 회전이 점점 빨라집니다. 피겨 스케이팅 선수가 팔을 모으면 회전이 빨라지는 것과 같은 이유입니다. 회전이 빨라지면 회전축 방향으로는 계속 납작해지지만 적도 방향으로는 잘 줄어들지 않아, 구름은 중심이 볼록한 원반 모양이 됩니다.

원반의 중심에는 물질이 가장 많이 모여 온도와 압력이 치솟고, 마침내 수소 핵융합이 시작되어 원시 태양이 별로 태어납니다. 한편 원반에 남은 물질들은 서로 충돌하며 달라붙어 미행성체가 되고, 미행성체들이 다시 뭉쳐 원시 행성이 됩니다.

행성이 두 종류로 갈리는 것도 이 원반의 온도 분포로 설명됩니다. 태양 가까운 안쪽은 뜨거워서 물·암모니아·메테인 같은 휘발성 물질이 얼음으로 굳지 못하고 날아갔습니다. 남은 것은 녹는점이 높은 암석과 금속뿐이었고, 재료가 적으니 작고 밀도가 큰 지구형 행성이 되었습니다. 반대로 태양에서 먼 바깥은 차가워서 얼음까지 고체로 응축되었습니다. 재료가 훨씬 풍부해 큰 핵이 빠르게 자랐고, 그 강한 중력으로 주변의 수소·헬륨 기체까지 끌어모아 거대하고 밀도가 작은 목성형 행성이 되었습니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

회전이 왜 저절로 빨라질까

회전하는 물체가 안쪽으로 모이면 회전이 빨라집니다(각운동량 보존). 반지름이 반으로 줄면 회전 속도는 크게 늘어납니다. 처음에 거의 눈에 띄지 않게 돌던 성운도, 별 하나 크기로 수축하는 동안 회전이 극적으로 빨라집니다.
예시 2

토성이 물에 뜬다면

목성형 행성은 대부분 수소와 헬륨이라 평균 밀도가 매우 작습니다. 토성은 물보다도 평균 밀도가 작습니다. 반대로 암석과 금속으로 이루어진 지구형 행성은 밀도가 훨씬 큽니다. '크면 무겁고 밀도도 클 것'이라는 직관이 통하지 않는 대목이며, 무엇으로 만들어졌는지가 밀도를 결정한다는 증거입니다.
예시 3

남겨진 부스러기들

행성으로 다 뭉쳐지지 못한 미행성체의 잔해가 지금도 남아 있습니다. 화성과 목성 사이의 소행성대, 해왕성 바깥의 카이퍼 대가 그것입니다. 태양계 형성의 화석이라 부를 만합니다.

지구형 행성과 목성형 행성

구분	지구형 행성	목성형 행성
해당 행성	수성 · 금성 · 지구 · 화성	목성 · 토성 · 천왕성 · 해왕성
질량 · 반지름	작다	크다
평균 밀도	크다	작다
주요 구성 물질	암석 · 금속	수소 · 헬륨 · 얼음
위성 수	없거나 적다	많다
고리	없다	있다
형성 위치의 온도	높아 얼음이 응축되지 못함	낮아 얼음까지 응축됨

자주 하는 오해

태양이 먼저 다 만들어진 뒤 떠돌던 행성을 붙잡았다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움태양이 완성된 다음 지나가던 행성들을 중력으로 포획해 태양계가 되었다

실제로는태양과 행성은 같은 성운에서, 같은 원반 안에서, 거의 같은 시기에 함께 만들어졌습니다.

포획설이라면 행성들의 궤도면과 공전 방향이 제각각이어야 합니다. 우연히 붙잡힌 물체들이 하나같이 같은 평면에서 같은 방향으로 돌 이유가 없기 때문입니다. 그런데 실제 태양계는 그 규칙성이 너무나 뚜렷합니다. 같은 회전 원반에서 태어났다고 보아야만 설명이 됩니다.

'태양에서 멀면 크게 자란다'고 거리를 원인으로 삼기

이렇게 생각하기 쉬움태양에서 멀수록 중력의 방해가 적어서 행성이 크게 자란다

실제로는거리 자체가 아니라 그 거리의 온도가 원인입니다. 온도가 낮은 바깥에서는 얼음이 고체로 굳을 수 있어 뭉칠 재료가 훨씬 많았고, 그래서 큰 핵이 자라 기체까지 끌어모을 수 있었습니다.

만약 거리가 곧 크기라면 해왕성이 목성보다 커야 합니다. 실제로는 목성이 가장 큽니다. 원반 물질은 안쪽에서 바깥으로 갈수록 무한정 많아지는 것이 아니라, '얼음이 얼 수 있는 경계'를 넘어서는 순간 고체 재료가 급격히 늘어납니다. 그 경계 바로 바깥에서 가장 유리했던 목성이 가장 크게 자랐습니다.