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태양계와 달

REPORT 김승민 태양계와 달은 어떻게 생성되었는가

Ⅰ. 태양계는 어떻게 생성되었는가

초기 태양 기원설→태양계가 어떤 과정에서 형성됐고 이후 어떻게 진화해 오늘에 이르게 됐느냐는 질문에 대해 1644년 데카르트는 “모든 공간은 원형의 소용돌이를 만들어 움직이는 물질과 에테르로 채워졌고 물질은 이 소용돌이의 끝에서 축적됐으며 이곳에서 태양과 행성이 형성됐다.”고 제창했다. 이러한 발전성 없는 설에서 시작하여 그 후 오랫동안 여러 이론이 제시되었으나 어느 것도 만족스럽게 태양계의 생성 과정을 기술하지 못하고 있었다.

근대 과학의 태양 기원설→태양계의 기원에 관한 최초의 과학적 이론은 1755년 칸트가 주장한 성운론이다. 그는 현재의 태양계를 이루고 있는 물질은 원래 태양계 전역에 구름처럼 퍼져 있었다. 이러한 물질이 만유인력에 의해 중심쪽으로 낙하하는 현상이 일어나 낙하 도중 옆으로 튀어 회전하는 입자도 생기고 옆으로 계속 충돌한 결과 전체 물질의 공동 중심을 가진 회전 운동을 하는 궤도를 갖게 된다. 이런 일이 행성이 돼 중심으로 모이게 된 것이 태양이다라는 태양계가 거대한 회전 구름에서 형성됐다고 주장했다. 이후 라플라스는 칸트의 생각을 더욱 발전시켜 태양계의 형성 과정을 보다 구체화시켰다. 라플라스는 1796년 태양계는 천천히 자전하고 있는 고온의 기체 덩어리에서 출발하며 원시 상태는 거대한 성운과 같다. 이러한 원시 성운은 냉각되어 수축하지만 성운이 가지고 있던 본래의 각운동량의 총합은 불변하므로 수축할수록 자전 속도가 빨라진다. 적도면 부분에는 원심력이 크게 작용해 중력과 원심력이 같아질 수 있다. 이때 적도 부분에서 물질이 고리 모양으로 분리되면서 여러 개의 고리 모양으로 분리된 성운은 계속 축소되는 한편 매우 빠르게 회전하기 때문에 마침내 하나의 물체로 굳어져 회전하기에 이른다. 중심으로 수축한 것이 태양이며 여러 환형으로 분리되어 수축한 것이 행성이며 행성의 자전에 의해 다시 위성으로 분리되어 생성되었다는 설을 발표했다. 그러나 그는 행성과 위성이 고리에서 어떻게 생성되었는지, 또 태양계 내 각운동량이 어떻게 오늘날까지 분포했는지에 대해서는 설명하지 못했다. 태양계의 각운동량 문제와 태양이 어떻게 태양계 총질량의 99% 이상을 차지하고 있음에도 불구하고 각운동량은 태양계 총각운동량의 2%밖에 되지 않는가에 있다.이러한 라플라스 성운설로는 태양계 내에 분포하고 있는 각 운동량의 이상 분포를 설명할 수 없기 때문에 성운설의 문제점을 해결하기 위해 1905년 몰턴과 1917년 진스와 제이플리 등은 항성과의 근접 충돌 이론을 제안했다. 그러나 이들의 이론은 1932년 태양이 다른 별과 충돌할 확률은 무시했을 정도로 작다 태양으로부터 떨어진 물질은 태양 주위에 남아 있을 확률보다는 덜 빨려 들어갈 확률이 높다 설령 물질이 남아 있더라도 그 물질은 굳히기보다는 확산될 확률이 높다는 등의 반론에 부딪혀 받아들여지지 않고 있다.한편 독일의 물리학자 바이체커는 1944년 태양계의 원시 상태는 태양을 둘러싸고 있는 원반형 기체 성운이라고 가정하고, 이러한 기체 입자들이 태양을 중심으로 서서히 케플러 제2법칙을 만족하면서 회전운동을 한다. 초기에는 입자가 타원 궤도를 돌지만 그 궤도가 정렬되지 않은 ‘난류 상태의 성운’이라고 가정한다. 마치 볼베어링처럼 태양이 차축이 되어 와류 운동을 하고 있으며 기체 분자는 소용돌이가 되어 행성이 생성된 곳이 회전 중심이 아닌 와류 운동을 하고 있는 틈이어야 한다는 설이다. 이 설에 따르면 행성의 각 운동량의 이상 분포 및 태양에서 행성까지의 평균 반경이 보드의 법칙을 충족한다는 것이 흥미롭다.

현대에서 인정되는 태양 기원설→최근 수십 년간 지상 및 우주 관측 장비가 현대화되고 대형화되면서 항성 형성에 대한 정보가 많이 축적됐고, 특히 대기권 밖에서의 관측이 가능해지면서 새로운 정보가 많이 쏟아져 나왔다. 그 결과 항성이 형성되는 장소가 우리 은하 내에서 다수 발견되어 성운의 중력 붕괴에 따른 별의 형성 및 진화 과정이 어느 정도 밝혀졌다. 이 같은 새로운 관측 사실의 도움으로 기존의 성운설이 다시 부활하면서 바이체커의 이론도 상당 부분 인정된 상태다. 현재는 가스와 먼지로 이루어진 초기의 회전 성운이 수축하여 중심으로 태양이 형성되었고, 그 주변에 생긴 원반 형태의 성운에서 행성이 형성되었다는 생각이 널리 받아들여지고 있다.

위의 주장을 근거로 행성과 위성을 형성시켜 태양계를 구성시켜 보면 이렇다. 초기 먼지와 가스로 구성된 구형 회전 성운이 수축할 때 성운 내에는 입자 상호 간의 충돌이 자주 일어난다. 원시 성운의 자전 운동은 입자가 자전축에 수직인 동일면에 분포하도록 하여 자전축에 입자가 집결하는 것을 저지시킨다. 이러한 모델은 행성의 궤도가 거의 동일 평면상에 분포하고 있음을 잘 설명해준다.성운의 회전은 결국 원시 원반을 만들고 원반 내의 입자들은 충돌을 계속할 것이다. 이런 충돌로 입자는 점차 뭉쳐 소행성 크기 정도의 미행성으로 성장한다. 이런 과정을 통해 생긴 미행성은 이들 상호간의 중력에 의해 더 큰 덩어리가 돼 원시행성이 된다. 이때 원시 행성은 질량이 어느 정도 되므로 그 자체의 중력으로 주변에 있는 질량이 작은 물체를 모을 수 있다. 이 과정이 계속되는 동안 원시행성은 현재와 같은 크기의 행성이 되고 주변을 돌던 물체는 나중에 위성으로 성장해 행성의 중력장에 의해 궤도운동을 하게 된다.

2) 달은 어떻게 생성됐나

→ 달의 기원에 관해서는 세 가지 가설이 제기되고 있으나 어느 것도 정설로 받아들여지지 않고 있다. 세 가지 가설은 첫 번째 달과 지구는 같을 때 같은 물질에서 태어났다는 것이고, 두 번째 달은 지구가 형성된 후에 지구에서 떨어져 나갔다는 것이고, 세 번째 달은 태양계 내, 다른 곳에서 형성됐지만 지구에 의해 포획됐다는 것이다. 지금까지 달의 기원에

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