가스 행성들과 소행성, 혜성

200만~300만 년

거대한 가스 행성들과 소행성

 

 

원시 행성이 모두 똑같은 속도로 자라지는 않았다. '눈 경계선' 에서는 규산염과 금속보다 얼음이 열 배 정도 더 풍부했다. 얼음은 점착성이 매우 커 비슷한충돌 속도의 규산염보다 20배나 더 잘 들러붙었다. 따라서 응축된 점착 물질이 풍부했던 5AU 너머에서는 응집 과정이 매우 효과적으로 작용했다.

10만 년이 지나지 않아 '눈 경계선'에 얼음과 암석으로 이루어진 현재의 지구보다 큰 거대한 원시 행성 하나가 나타난다. 그러나 이 행성의 성장은 여기서 멈추지 않았다. 이 얼음 원시 행성은 지구 질량의 약 15배 정도로 커지자 아주 가벼운 물질들이자 오늘날에도 여전히 이 행성의 주요 구성 물질인 수소와 헬륨 가스를 빨아들이기 시작했다. 원시 목성은 이런 식으로 수십만 년 동안 주변 물질을 먹어 치우며 공전 궤도를 따라 원반에 널찍한 길을 만들었다. 목성은 태양 주위를 돌면서 자신이 만든 길의 양쪽에서 계속 가스를 빨아들여 점차 주변의 가스를 고갈시켰다. 그러나 목성이 성장을 멈춘 근본적인 이유는 원료의 부족 때문이 아니었다. 원인은 태양이었다. 목성이 약 100만 년 간 점점 커지는 동안 수축하는 태양은 황소자리 T형 시기로 들어갔다. 이 시기의 강력한 항성풍이 마치 해일처럼 밀려와 아직 사용되지 않은 가스를 성간 공간 멀리 날려 버렸다. 그러자 마침내 목성의 성장이 멈춰졌다. 그러나 목성은 이미 지구 질량의 300배보다 큰 거대한 행성으로 자라 있었다. 또한 규모는 더 작지만 태양 성운과 비슷한 모습으로 가스와 먼지로 이루어진 자체의 거대한 원반도 갖고 있었다. 이 행성은 더 크게 자랄 수 없었으므로 본격적으로 냉각하기 시작했다. 이때는 행성이 만들어지기 시작한 지 300만 년 정도가 지난 때였으며, 토성을 제외한 다른 행성은 아직 나타나지도 않은 시기였다.

목성의 출현은 이 행성의 형성 때 포함되지 않았던 가까운 미행성들에게 곤란을 가져왔다. 목성 옆으로 가까이 지나가는 미행성들은 이 행성의 중력에 끌어당겨졌다. 그들 중 일부는 계속되는 인력의 영향으로 혼란스러운 궤도를 갖게되어 원반 밖으로 던져졌고 나머지는 끊임없이 괴롭히는 목성의 중력 때문에 더 성장하지 못한 채 소행성으로 현재까지 살아남았다.

 

목성처럼 거대한 가스 행성인 토성 역시 목성과 유사한 방식으로 생성되었다. 그러나 태양으로부터 두 배나 더 멀리 떨어져 있으므로 물질이 희박하여 얼음과 암석 핵이 형성되는 데 더 오랜 시간이 걸렸다. 그리고 토성이 미처 목성만큼 크게 자라기도 전에 태양풍이 불어와 주변의 가스를 날려 버렸다. 수백만 년 뒤에 형성될 천왕성과 해왕성 역시 비슷한 운명을 맞을 것이었다.

 

 

300만~1000만 년

거대한 얼음 행성들과 혜성

300만 년이 흐른 무렵에는 목성과 토성이 형성되어 냉각하고 있었다. 원시 행성 원반은 여전히 아주 활동적이었다. 태양에 더 가까운 곳에서는 암석질의 미행성들이 계속 커지고 있었다. 그리고 태양에서 훨씬 더 멀리 떨어진 곳, 토성 까지의 거리보다 두 배 이상 떨어진 곳에서도 역시 마지막 얼음 미행성이 자라고 있었다. 이 바깥쪽에는 얼음이 풍부함에도 불구하고 얼음 미행성이 목성과 토성처럼 원반으로부터 직접 가스를 끌어당길 수 있는 크기로 엉겨붙는 데 매우 오랜 시간이 걸렸다. 이는 그곳에서의 궤도 속도가 더 느렸기 때문이다. 그러나 결국 얼음과 암석으로 이루어진 원시 행성 두 개가 발달하는 데 성공했으며, 이들은 천왕성과 해왕성이 되었다.

시간이 흐르자 이 덩어리들은 200만 년 전에 더 큰 가스 행성의 핵들이 그랬듯이 수소와 헬륨을 흡수하기 시작했다. 그러나 이 핵들은 너무 늦게 형성되었다. 태양은 이제 황소자리 T형 시기를 지났고 원시 행성 원반에는 가스가 거의 남아 있지 않았다. 오랜 세월 동안 천왕성과 해왕성은 계속 감소하는 주변의 공급원으로부터 붙잡을 수 있는 가스는 최대한 흡수하였고, 이 행성들의 성장은, 정확한 시기는 여전히 불확실하지만, 약 1000만 년쯤 뒤에 멈추고 말았다.

 

그 결과 목성 지름의 '이 조금 넘고 목성 질량의 5퍼센트밖에 되지 않는 한 쌍의 행성이 생겨났다. 그러나 목성에 비해 아주 작은 몸집에도 불구하고 천왕성과 해왕성은 모두 지구보다 15배나 더 무거웠다. 따라서 천왕성과 해왕성은 목성과 토성이 미처 휩쓸지 못했던 얼음 미행성들을 우주 공간에 멀리 내던졌다. 오늘날 혜성으로 알려진 이 조각들은 두 개의 광대한 저장소에서 태양을 에워싸고 있다. 하나는 카이퍼 띠로 해왕성의 궤도 약간 너머까지 뻗쳐 있으며 주로 태양계 평면에 분포하고 있다. 이 조각들을 해왕성 횡단 천체라고도 한다. 한편, 훨씬 더 멀리에는 수조 개 이상의 혜성들이 지름이 1광년도 넘는 오르트 구름으로 알려진 거대한 구형 껍질에서 태양 주위를 돌고 있다.

 

천왕성과 해왕성은 어떤 면에서는 목성과 토성과 유사하지만, 이들과 달리 수소와 헬륨으로 이루어진 가스질의 맨틀을 갖고 있지 않다. 따라서 천왕성과 해왕성의 경우 물, 메탄, 암모니아 같은 얼음 물질에 비해 가스 함량이 턱없이 작아 진정한 의미의 거대 가스 행성이 아니다. 천왕성과 해왕성은 거대한 얼음 행성으로 부르는 게 가장 적당할 것이다.