태양계 기원설 - 현대 이론

12. 태양계 기원설

 

12 - 2 현대 이론

 

12-2-1 부가 이론

 

 1944년 소련 유성기어장치 과학자 오토 슈미트와 유리 등은 새로운 종류의 이원적인 이론을 제시했다. 그는 망원경을 통한 관찰 결과를 바탕으로 저온 고밀도의 구름덩어리가 은하에서 형성된다고 주장했다. 처음에는 물질이 태양 주위를 타원 궤도를 그리며 회전하다가 차츰 원 궤도로 전환된다는 것이다. 그 결과로 입자 간의 충돌 횟수가 많아지면서 입자의 크기가 커지고 서로의 인력도 커지게 되어 점점 크게 성장했다는 것이다.

원시 행성계 원반 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

 또한 구는 원시 태양이 이 구름 덩어리를 지나면서 이 먼지-가스 덩어리를 포획한다고 주장했다. 슈미트는 에너지를 고려할 때 두 개의 고립된 천체가 있으면 한 천체의 구성 물질은 다른 천체에게 포획되지 않는다고 믿었으며, 또 일부 에너지를 제거하기 위해 3번째 천체인 다른 별을 도입했다. 3번째 천체의 필요로 이 이론은 다소 타당성을 잃었지만 슈미트의 주장은 구름 덩어리가 광범위한 지역에 있고, "구름 덩어리 + 별"이 다체형 시스템(Many-Boby System)처럼 행동한다는 것에서부터 타당성을 갖지 못했다.

 

 

12-2-2 솜뭉치/초기 행성 이론

 

 1960년 윌리엄 맥크레아는 행성의 형성이 성단의 형성과 연결되어 있고, 태양의 느린 회전을 설명할 수 있는 이론을 제시한다. 맥크레아의 이론은 거대한 집단을 형성하는 가스와 먼지의 구름 덩어리에서 시작된다. 이 이론은 난류로 가스의 흐름끼리 충돌이 생기면 평균보다 높은 밀도 지역이 만들어지는데, 솜뭉치로 명시된 이 고밀도 지역이 구름 덩어리를 통과하고 움직이면서 충돌할 때마다 합쳐진다. 그 뒤 거대한 집합체가 형성되면, 다른 솜뭉치를 끌어들여서 초기 항성을 만들게 된다. 무작위로 어느 방향에서나 초기 항성으로 솜뭉치가 합쳐지면서, 초기 항성의 최종 각운동량은 작아지게 된다.

 

 이 이론의 기본 전제조건은 각 솜뭉치는 지구 질량의 3배를 갖고 있다. 그래서 목성과 같은 거대한 행성을 만들기 위해서는 수많은 솜뭉치가 결합해야 한다. 행성을 형성할 이 집합체는 현재 행성의 각운동량보다 훨씬 큰 각운동량을 갖고 있다. 맥크레아는 이 명백한 한계점을 오히려 강점으로 변화시켰다. 초기 행성이 수축하면서 회전적으로 불안정해 졌을 것이고, 이 상태에서 초기 행성은 아마도 질량비가 8:1인 두 개의 부분으로 갈라졌을 것이다. 질량중심과 관련하여 더 빨리 움직이는, 상대적으로 작은 부분이 대부분의 각운동량을 갖고 태양계에서 탈출했을 것이다. 분리된 두 부분의 연결부에서 작은 응축 덩어리가 형성되고, 이것이 큰 부분에 의해 위성 중 하나로 남게 되었을 것이다. 맥크레아는 지구형 행성을 설명하기 위해서 위와 같은 분열 과정이 초기 행성의 고밀도 핵에서 일어났다고 가정해야 했다. 그래서 태양계 안쪽 부분에서는 큰 탈출 속도를 가진 두 부분 모두 태양계 안에 남아서 지구-화성 쌍과 금성-수성 쌍을 형성했다고 주장한다.

 

 이 이론은 몇몇 매개변수를 현재 태양의 수치에서 가져왔고, 다른 매개변수는 태양-행성-위성 시스템을 이론에 가장 잘 설명할 수 있게끔 선택한 값이다. 그럼에도 불구하고 이 이론은 심각한 문제점이 있다. 솜뭉치 모양의 먼지-가스 덩어리는 불안정하며 솜뭉치의 충돌과 다음 충돌 사이의 시간보다 짧은 수명을 갖고 있다. 따라서 솜뭉치의 충돌과 행성의 형성이 이 이론대로 진행되지 않는다는 것이다.

 

 

12-2-3 현대 성운설

 

 최근 가장 이상적으로 평가받는 태양계 기원설은 라플라스의 이론에 근간을 두고 있다. 그 시작은 가스와 먼지로 된 불균질 한 성운이다.

 

 현대 성운설은 태초의 성운은 난류 현상으로 자전 운동을 하게 되고, 각운동량을 갖고 있다. 각운동량은 그 값이 물체의 질량과 분포도, 회전 속도에 따라 달라진다. 따라서 물체의 질량이 중심에서 멀리 떨어져서 분포하거나 회전 속도가 빠른 경우에 그 값이 커진다. 만약 회전하는 물체의 크기가 작아지면 분포도가 감소하여 각운동량의 값도 감소할 수밖에 없지만 동일한 각운동량의 값으로 보존하기 위해서는 물체는 더 빨리 돌게 된다.

 

 성운은 자체의 인력으로 수축하게 되고, 이러한 수축이 진행되면 성운은 자전 때문에 타원형을 이루면서 각운동량을 보전하기 위해 자전 속도가 빨라진다. 그 결과 성운 중심부의 밀도는 급속히 증가되어 질량이 큰 덩어리가 형성되는데 이것이 원시 태양이다. 원시 태양은 중력 수축을 해서 막대한 열을 방출하게 된다. 동시에 수축한 성운은 밀도가 증가하면서 수많은 먼지 입자와 얼음 조각, 이산화탄소, 암모니아, 메탄 등과 섞여서 큰 입자를 형성하게 되고, 이들 입자가 수십 억 개 모여서 소행성 크기의 미행성을 만든다. 미행성은 서로 강한 중력으로 끌어당겨 충돌하여 급격히 성장한다. 이 과정을 통해 원시 행성이 만들어진다.

 

 현대 성운설이 가장 이상적이고 합리적인 이론으로 평가받고 있지만 이 역시 한계는 있다. 최초의 성운에서 난류 현상이 강하게 일어나 자전 운동이 일어나지만, 이런 난류가 강하게 일어날 경우, 입자가 모여들어 거대한 미행성을 형성하기는 어렵다. 그리고 성운의 가스 덩어리의 소실 과정, 행성의 위치, 혜성과 소행성 등에 대한 명확한 설명이 이루어지지 않는다.