태양계의 기원

태양계는 원시 태양운이라고 불리는 기체와 티끌로 구성된, 서서히 회전하는 구름 덩어리가 중력 수축 과정을 거쳐 만들어진 것입니다.

태양계의 생성 기원에 관한 이론은 1755년 칸트의 성운설을 시작으로 하여, 1796년에는 라플라스가 행성은 붕괴하는 태양의 적도로부터 튕겨 나온 가스 고리에 의하여 형성되었다는 이론으로 발전하여 현대적인 이론으로 이어지고 있습니다.

미행성 응집설

오늘날의 천문학에서는 과거 이론을 새롭게 수정·보완한 태양계의 생성을 밝혀주는 이론이 새롭게 정립되고 있습니다. 이 이론을 미행성 응집설이라 부르는데 이에 의하면 태양계를 이루고 있는 태양과 행성들은 가스와 티끌로 이루어진 성간운으로부터 형성되었다는 것입니다.

태양계를 이룬 성간운은 우리 은하의 나선팔에 존재하던 거대 성간운이 초신성 폭발로 압축되고 중력 수축되면서 분열된 작은 성간운 중의 하나일 것입니다. 그 증거로 지구에서 우라늄과 같은 원소가 발견된 것을 들 수 있습니다. 이러한 중원소는 우주에서 초신성 폭발이 있을 때만 만들어집니다.

이렇게 분열된 성간운은 수소가 약 73.6%, 헬륨이 24.8%, 기타 원소가 1.6% 정도로 이루어져 있었습니다. 이 성간운을 원시 태양운이라고 합니다.

이 원시 태양운은 자체 중력에 의해 수축하면서 천천히 회전하게 됩니다. 회전하며 수축하는 원시 태양운에는 크게 세 가지 힘이 작용하고 있는데, 성운의 회전축 방향으로는 자체 중력과 가스압이 작용하고, 회전축에 수직인 방향으로는 자체 중력, 가스압뿐만 아니라 원심력이 추가로 작용하게 됩니다.

따라서 태양계 성운은 회전축 방향으로는 수축이 순조롭게 진행되지만, 회전축에 수직인 방향으로는 원심력의 방해를 받아 수축이 잘 일어나지 못합니다.

결국 태양운은 전체적으로 중심 방향으로는 물질이 많이 모여 볼록하고, 주변은 물질이 넓게 퍼진 원반 모양을 이룹니다. 원반 모양의 중심 부분은 자체 중력에 의하여 계속 수축하여 원시 태양을 형성하여 오늘날과 같은 태양으로 진화해 갑니다..

원시 태양운이 수축하면서 중력 에너지는 빛이나 열에너지로 전환되는데 일부는 적외선 복사의 형태로 성운 밖으로 방출되지만, 일부 에너지는 성운 온도를 높이는데 쓰입니다. 따라서 성운 원반의 중심부는 온도가 높고 주변부로 갈수록 온도가 낮아집니다. 태양계의 성운이 원반을 형성하면서 힘의 평형을 이루어 안정된 상태가 되고 온도 또한 안정된 분포를 이룹니다.

 

미행성의 생성과 원시 행성으로의 성장

원시 태양의 초기 수축 단계에서는 기체가 약 2,000 K2,000K의 높은 온도를 가지게 되므로 원시 태양운에 있던 성간 티끌들은 거의 모두 녹아 기체 상태로 돌아갑니다. 시간이 지나 원시 태양 바깥에 있던 기체들이 서서히 식으면 기체 상태로 있던 중원소들이 다시 승화하여 응결하기 시작합니다.

한편 응축된 티끌 입자는 원시 태양계 성운 원반의 적도면으로 낙하하면서 성장하여 큰 티끌 입자를 이루고 결국 이들은 태양계 성운의 원반 적도면에 티끌층을 형성합니다. 이 티끌층으로 성장한 티끌 입자들이 계속 낙하하면서 밀도가 증가하면 티끌층은 중력적으로 불안정해져 분열하게 됩니다.

이러한 중력 불안정은 티끌층의 밀도가 고르지 않기 때문에 생기는 것으로 티끌층 밀도가 주변보다 높으면 그 부분은 자체 중력에 의하여 수축하게 되어 미행성이 생성됩니다.

미행성들은 원시 태양의 주변을 공전하면서 서로 충돌하여 파괴되거나 합체되는데, 이러한 충돌이 거듭되면서 질량이 큰 원시 행성으로 성장하게 됩니다. 성간운이 수축해서 원시 태양이 될 때까지의 시간은 대략 100만 년쯤으로 보입니다. 그리고 티끌의 응축 과정은 약 1만년, 티끌의 낙하로 인한 티끌층의 형성까지는 약 1,0001,000만 년이 걸린 것으로 보입니다. 그러나 티끌층이 분열되어 미행성체가 생성될 때까지는 약 10년 정도밖에 걸리지 않습니다. 미행성체가 충돌하여 원시 행성으로 성장하기까지는1,000만 년에서 1억 년이 걸린다고 하며, 미행성의 수는 원시 태양계 전체에 걸쳐서 약 10조 개는 되었을 것입니다.

 

지구형 행성과 목성형 행성

원시 태양운에서 미행성이 성장하는 동안 중심부의 원시 태양은 점점 뜨거워지며 태양 가까운 곳에서 생성되는 행성들은 강한 태양 복사의 영향으로 휘발성 물질이 대부분 제거된 채 무거운 성분의 원소를 주축으로 응집하여 오늘날 지구형 행성이라고 불리는 밀도가 큰 고체 덩어리의 행성을 만듭니다. 반면에 태양에서 멀리 떨어진 곳에서 형성되는 행성들은 태양의 복사가 미치지 못하므로 수소나 헬륨과 같은 휘발성 물질이 그대로 응집할 수 있으므로 밀도가 낮고 액체 상태의 목성형 행성이 만들어지게 되었습니다.