행성 고리의 형성과 현재의 태양계

45억 년 년

고리의 형성

행성 대기의 출현과 그 이후의 진화로 태양계가 거의 완성되었다. 이제 거대 행성의 고리와 더 작고 불규칙적인 개의 위성만 더 추가하면 된다. 불규칙 위성은 거대 행성들이 점점 얇아지는 태양 성운에서 얼음 미행성체를 잡아먹은 것과 유사한 과정을 통해 포획당한 것으로 보인다. 그러나 이에 비해 고리의 기원은 정확히 파악하기가 더 어렵다.

가장 유명한 고리는 토성의 고리이다. 토성의 고리들은 이 행성 주위에서 개별적인 궤도를 도는 수십 미터 크기의 무수한 돌덩이들과 더 작은 얼음 덩어리들로 이루어져 있으며, 대단히 얇아서 축구장 크기의 종이 한 장과 비교할 만하다. 그러나 고리를 가진 행성이 토성만은 아니며 다른 거대 행성도 유사한 고리를 갖고 있다. 사실 연구에 따르면 각 행성의 고리계는 지름과 밝기뿐 아니라 고리를 이루는 입자의 크기와 조성까지도 서로 다르다. 그리고 이것이 바로 고리 형성의 실마리를 제공한다. 가장 큰 실마리는 고리의 대부분이 각각의 '로시 한계' 안에서 행성을 에워싸고 있다는 사실이다. 로시 한계는 어떤 행성이 중력적인 힘을 가해 다른 천체를 부수어 버릴 수 있는 거리를 나타낸다. 이러한 실마리는 고리의 정체가 위험 지대 안에 머물다가 산산조각이 난 위성의 잔해이거나 혹은 너무 가까이 들어왔다가 비슷한 운명을 맞게 된 혜성의 잔재임을 의미할 수 있다. 이 가설은 여러 고리의 차이를 멋지게 설명한다.

 

즉 고리의 성분은 결국 부서짐이라는 과정을 통해 고리를 만들었던 천체의 구성 성분을 나타내는 것이다. 고리의 기원이 초기 태양계에서 거대 행성을 에워싸 그 속에서 규칙 위성이 형성되었던 원반의 잔재라고 볼 수도 있다. 그러나 이럴 가능성은 별로 없어 보인다. 첫째, 토성의 얼음 입자는 이 행성이 여전히 뜨거운 가스체였을 때인 오래전에 증발해 버렸을 것이다. 둘째, 입자 궤도들의 컴퓨터 시뮬레이션은 고리계가 오랜 시간 유지되기에는 불안정함을 말해 준다. 역학적 연구들이 옳다면 고리들은 아마도 채 1억 년도 되지 않는 비교적 최근에 만들어진 것이다. 그러나 이러한 해석도 나름대로 문제가 있다. 만약 고리들이 모두 일시적인 현상이라면 우리가 어떻게 한 개도 아닌 네 개의 고리계를 동시에 볼 수 있는 것일까. 가장 좋은 해답은 고리 자체는 오랫동안 존재했으며, 단지 고리 입자들이 계속해서 붕괴하는 작은 위성과 혜성의 부스러기로 대치되고 있다는 것이다.

 

 

46억 6000만 년

현재의 태양계

 

우리는 40억 년이 넘는 시간을 여행하여 마침내 현재에 도달했다. 그러나 아직도 태양계의 구석구석을 잘 들여다보면 과거에 일어났던 형성의 증거를 쉽게볼 수 있다. 우리는 태양 성운의 잔재로 대부분이 동일한 평면에 놓여 있는 거의 원형에 가까운 궤도들을 본다. 또한 마구 두들겨 맞은 표면을 가진 세계를 본다. 이것은 대폭격으로 알려진 운석들이 비 오듯 쏟아져 내리는 길고 혼란스러운 시기를 알려주는 흔적이다. 그리고 태양계가 만들어진 과정 때문에 우리는 이제 태양계가 다섯 개의 뚜렷한 지역으로 나누어지는 것을 알 수 있다.

첫 번째 지역은 태양으로부터 1.7AU 거리 안쪽에 놓인 수성, 금성, 지구 그리고 화성의 보금자리이다. 이 지구형 행성들은 태양 성운의 가장 뜨거운 불길에서 만들어진 암석과 철로 이루어진 작은 세계이다. 두 번째 지역은 2~3.3AU에 있는 광활한 공간인 소행성대이다. 이들 암석과 금속성의 천체는 40억 년 넘게 거의 변하지 않아 태양계의 가장 원시적인 물질을 포함하고 있다. 세 번째 지역은 거대 행성의 영역으로 훨씬 더 광대하다. 이 지역의 가장 안쪽에는 태양에서 화성에 이르는 거리의 거의 두 배나 멀리 떨어진 목성이 있으며, 가장 바깥쪽에는 태양에서 목성에 이르는 거리의 여섯 배나 멀리 떨어진 해왕성이 놓여 있다. 모든 거대 행성들은 지구형 행성보다 훨씬 더 크고 얼음과 가스로 이루어져 있다. 네 번째 지역은 혜성들, 이른바 해왕성 횡단 천체로 이루어진 카이퍼 띠이다. 카이퍼 띠는 해왕성의 궤도로부터 아직 알려지지 않은 미지의 거리까지 뻗쳐 있지만, 최대 거리는 아마도 1000AU 정도 될 것 같다. 이 차가운 불모지는 또한 명왕성의 고향이기도 하다. 태양계의 다섯 번째이자 마지막 지역은 오르트 구름이라는 얼음 혜성들의 구형 껍질로, 5만 AU 즉 거의 1광년에 버금가는 거리에서 태양계를 에워싸고 있다. 오르트 구름과 카이퍼 띠의 혜성들은 해왕성과 천왕성의 중력 때문에 생겨난 것이다. 여기까지가 태양계 가족에 대해 우리가 알고 있는 지식의 경계선이다. 오르트 구름이 엄청난 규모로 태양계를 감싸고 있다는 것이 어쩐지 어울려 보인다. 태양계의 모든 천체를 탄생시켰던 차가운 구상체가 이 정도의 크기였기 때문이다.