태양계는 어떻게 형성되었을까?

WIV 금을 들으면서 보는 것을 추천한다. (부금 거짓없이 해도 좋아)

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이 20세기 의자 트리에서 처음으로 외계 행성을 포착하는데 성공한 향후,'외계 행성'이라는 주제는 그야이스토ー리ー에 천문학자들에게는 마치 금맥을 만난 광부들과 마찬가지다. 외계 행성을 찾는 소리로 또 다른 인류를 찾을 수 있다는 희망과 동시에 우주에 우리 혼자 있는 것은 아니다라는 일종의 안도감을 대중에게 줄 수 있었다. 그래서 천문학계 연구비의 절반 정도는 바로 태양계 행성 찾기라는 주제로 지원될 것이다. 그만큼 태양계 외행성이 유행했고, 가끔 기사에서 N광년거리. 지구와 환경이 대등한 행성 발견! 등의 과학 뉴스에서는 순식간에 순위에 오를 정도로 큰 가십의 씨앗이기도 하다.

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그러나 태양계 외계 행성은 상당히 멀리 떨어져 있고, 역시 한 사람의 그들의 크기는 일반적인 별에 비해 그 크기도 수십분의 첫 번째 수준이므로 그들을 직접적으로 관측하고 조사하는 것은 사실상 불가능하다고 보면 된다.  따라서 우리는 우리 주변의 행성을 조사함으로써 태양계 외 행성을 간접적으로 조사할 수밖에 없다. 그러나 지금까지 천문학자들은 행성을 조사하는 것은 지질학자가 할 일이라고 미루기 일쑤였고, 지질학자들은 태양계의 행성을 조사하는 것이 우리가 할 일이냐고 서로 미루는 안이한 형세가 계속되었습니다.따라서 우리는 사실 우주의 깊숙한 곳까지 상당 부분을 알고 있지만 정작 태양계 자체에 대해서는 아직 모르는 것이 많다. 단지 이러한 형세를 "등잔 밑이 어둡다"라고 스토리할 뿐이다. 따라서 이러한 기본적인 이론에서 비롯되어 이른바 행성과학으로 불리는 학문을 조사하기 위해서는 먼저 태양계가 어떤 과정을 거쳐 태어났는지 알아봐야 한다.

첫째. 이론이 만족해야 할 조건들.

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성공적인 이론에서 도출된 결과가 현 상황을 잘 표현할 수 있어야 한다. 그래서 태양계 형성 이론을 다시 칠하기 위해서는 이 이론에서 도출된 결과가 어떻게 현재의 결과를 도출했는지 설명해야 할 것이다. 예를 들면, 왜 8개 행성은 태양의 적도 평면과 불과 1번의 오차 범위 내에서 완벽한 동 1평면상에 위치하고 공전하는가? 예를 들어, 왜 모든 행성이 시계 반대 방향으로 공전하는가? 노화는 왜 태양계 안쪽에는 지구형 행성이, 바깥쪽에는 목성형 행성이 위치하게 되었는가? 왜 화성과 목성 사이에는 소행성대가 위치하는가. 등을 설명해야 할 것이다.이 중에서 가장 그럴듯하다고 받아들여지는 이론은 Solar Nebula 가설이었다, 즉 태양계가 원시 성운에서 탄생했다는 예기였다.

2. 먼지 구름에서 태양계의 탄생

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고교 과학 시간에 졸지 않았다면 한 번쯤은 들었을 이론이었다. 태양계가 성운에서 태어났다는 이론이었다.태초의 태양계가 위치한 장소에는 Solar Nebula, 즉 성운이 위치한 이 성운이 어떤 자극(가까이의 초신성 폭발 등)을 받고 밀도 불균형이 1어 나쁘지 않고 점차 수축하게 되었습니다.하스토리이다.

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초기의 성운은 구형으로 산재하다가 자극을 받아 이 성운 전체의 질량 가운데를 가운데로 모이기 시작했다.구형의 형태는 각운동량보존법칙에 따라 원반상으로 바뀌었다.(*초신성 폭발에 의한 충격파를 그 자극으로 보지만 확실한 것은 없으므로 참고하기 바란다.) 실제로 성운 자체가 전혀 회전하지 않았다면, 모든 물질은 그대로 질량의 중앙에 모여 행성을 전혀 형성하지 못했을 것이다. 그러나 태양계에는 8개의 행성과 수없이 많은 소행성이 있다. 초기 성운에는 회전 성분이 있었을 것으로 추측된다. 여기서 구형 > 원반과정이 이해되지 않는 사람이 많을 것이라는 의견이 있는데, 각 운동량은 m*v*r로 주어진다. 여기에서 m은 질량, v는 선속도(회전속도), r은 회전축으로부터의 거리를 자기 외로 하는 기호다. 이 보존 법칙은 첫 종류의 '고집'이라고 생각하면 좋은 0. 즉 어떤 물체가 자신의 상태를 계속 유지하려는 성질이었던 까닭에 각운동량 보존의 법칙은 각운동량이 변하지 않도록 하는 오기와 보면 된다. 즉, 외력이 없을 때 mvr은 처음 정한다는 것이 각 운동량 보존의 법칙이었으나, 자체의 중력에 의해 수축되는 현상은 그 계 자체로 초어 자신은 최초이므로 외력이 작용한 것은 아니다. 그 때문에, 각 운동량 보존의 법칙이 작용합니다.

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중력에 의해 수축하면 r이 줄고, 그래서 v는 증가한다. 이곳에서는 구형의 적도 부분은 반경 방향으로 수축하게 되는데 r값이 줄어듦에 따라 v 또한 같은 비율로 증가하게 된다.그런데 선속도가 증가하면 원심력이 증가하는데, 그 크기는 r에 반비례하는데 v의 제곱에 비례합니다.그래서 이들은 수축하면 오히려 불안정해진다. 그래서 거의 제자리로 돌아가게 된다. 그러나 극에 위치한 놈들의 경우 질량 가운데 수축되지만 자전축에 수직적인 방향으로 수축하는 것은 아니기 때문에 원심력과 중력의 방향이 정반대 방향이 아니다. 따라서 입자는 회전하면서 축의 적도 방향으로 떨어지는 것이었다

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이 과정은 적어도 수십만 년에 걸쳐 일어났다고 보고 있으며 이렇게 탄생한 원반을 원시 원반(protoplanetary disk)이라고 부른다. 이 원시원반은 최근 관측기술의 발달로 다른 태양계를 관측함으로써 그것이 옳음이 입증됐다.   이로써 우리는 태양계 행성의 공전궤도면이 정말 거의 일치하고 왜 같은 방향으로 돌아가는지 설명할 수 있게 됐다.   그렇다면 이 원시원반에서 어떻게 안쪽에는 암석형 행성이, 이렇게 바깥쪽에는 가스형 행성이 만들어지는가?

3. 원시 행성의 형성

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행성과 소행성을 비롯한 태양계 구성원들이 형성되는 것을 이해하기 위해서는 우리는 현재 차갑고 매우 낮은 압력 상태의 성운에 있다고 소견해야 합니다. 저런 상태로 그대로의 물질은 고체 나쁘지 않고 기체 상태로 존재할 것이다. 그런데 의문은, 중심의 원시 태양이다. 원시태양이있던곳은질량중심으로보면되는데물질이거기를향해모였으니당연히온도가높아지겠죠.그래서 그 때 이 원시 태양 근처의 온도는 약 2천번 정도 했을 것으로 보고 있으며, 원반의 교외는 영하 220도 정도 되면 소견하였습니다. 만약 태양 근처 물질이 있으면 고온에 의해 거의 승화되어 기체가 될 것입니다.(물론 금속은 택로겠지만) 마찬가지로 디스크 중간 부분을 넘어 점방되면 온도가 현저하게 내려가고 그것들은 거의 고체 상태로 존재하게 될 테고.이후 원시태양이 가장 먼저 빛을 발하면서 주변에 강력한 태양풍을 발사해 주변의 먼지를 날려버렸다. 이 중 고온도로 인해 기체로 상태가 바뀐 놈들 가운데 가벼운 놈들, 수소 같은 원자들은 밖으로 밀려나 나빠진다. 이리하여 비교적 무거운 기체인 물이 나쁘지 않고 암모니아, 메탄 등은 어느 정도 남게 되며, 무거운 금속성 원자들은 정말 거의 제자리를 유지합니다.

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한편 현재의 화성과 목성 궤도 사이 밖에는 온도가 하나 70k의 아래로 떨어지게 되는데, 바로 이 온도는 당시 상태(아침은 기압과 하나 70k의 온도)에서 기체의 물이 얼음이 승화되는 지점이었다 그래서 우리는 이 지점을 "Frostline(iceline)", 즉"얼음의 라인"이라고 부른다.이 빙선 밖에서는 수증기가 모두 얼음으로 승화되며 기체 상태와 달리 이들은 고체이기 때문에 다른 고체물질과의 결합이 용이하므로(기체와 고체가 중력에 의해 결합될까?이들은 비교적 빠른 속도로 뭉쳐 질량을 빨리 상려과인업점이 된다. 따라서 이 빙선을 기준으로 바깥쪽에 위치한 영역에서는 거대한 행성이 만들어질 수 있었다.

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그들이 오늘날의 목성, 토성, 천왕성, 해왕성이다.또 이런 설명은 왜 가스행성이 크고 암석행성이 작은지에 대해 어느 정도 설명할 수 있었다. 암석형 행성은 주로 무거운 입자로 구성되어 있다. 그래서 우주에서 그 비율이 매우 희박하다. 그런 점은 태양계가 형성되는 50억년 전에는 더 심했다고 보고 있다. 따라서 이들로 구성된 암석형 행성은 그 크기가 당연히 작았던 것이다. 한편 수소와 헬륨은 우주에서 95%이상을 차지하는 아주 풍부한 물질이어서 성운 자체로 그들의 질량비가 너무 너무 봉잉게 크고, 그러면서 가스형 행성이 이렇게 큰 것으로 이해하면 좋겠다. 이런 식의 설명은 태양이 왜 태양계 질량의 99.98%를 차지하는지 매우 매우 그럴듯하게 설명하고 있다.

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원시 원반이 형성된 후, 오르소리선을 기준으로 안쪽에 위치한 먼지와는 서로 충돌하면서 그 크기를 점차 키워갔고, 이 과정은 수백만 년 동안 계속되어 육지에서 점차 큰 놈들을 만들어 냈습니다.이렇게 만들어진 돌을 우리는 미행성체(planetesimals)라고 부른다. 이들의 지름은 표준 수~수십km 정도로, 이 정도 크기면 자체의 중력으로 주위의 큰 놈도 끌어당길 수 있는 수준이다. 이들은 충돌을 반복해 합체하는 일을 반복해 결 스토리의 원시행성(protoplanet)을 만들어낸다.이들의 크기는 대략 달 크기 정도라고 보면 되지만 이 원시행성이 몇 차례 충돌을 거듭해 만들어진 것이 결스토리 지구형 행성인 셈이다. 이 과정에서 원시지구는 화성만 한 크기의 또 다른 원시행성과 비스듬히 부딪쳐 우리에게 친근한 달을 만들어냈다.

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충돌을 거듭할수록 충돌로 인한 열에 당시냐, 자주적인 방사능 붕괴에 당시냐에 따라 이런 원시 행성은 뜨거워져 결국 녹아버렸다.즉 용암의 덩어리로 된 셈이지만 이처럼 유체가 된 상태에서는 밀도 차이에 의해서 무거운 것은 아래로 떨어지고 가벼운 것은 위에 뜨는 현상이 1어가 있다. 이 과정을 화학적 분화(chemical differentiation)라고 부른다.

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이렇게 설명하게 되면 왜 지구 지각의 밀도는 3.0g/cm^3인데 평균 밀도는 5.5g/cm^3인지 제대로 설명할 수 있다. 한편 오르소 음선을 기준으로 바깥쪽에 위치한 먼지는 안쪽에 있는 녀석들과는 전혀 다른 과정을 거치지만 학자들은 초기 목성형 행성의 형성은 지구형 행성이 만들어지는 과정과 대등한 경로를 따라갔다고 합니다.그러나 여기서 차이는 내행성은 니켈 마그네슘 규소 등 무거운 원자가 많이 분포하는 반면 외행성은 수소 헬륨 얼음소리 등 가벼운 원자로 구성돼 있다는 점이었다. 그러나 이들보다 수소와 헬륨 같은 가벼운 원자가 압도적으로 많았다. 실제로 목성의 질량을 보면 무거운 입자는 지구 질량의 하나 0배 정도 차지하고 있지만, 학과에 다니는 동안에도 수소와 헬륨은 무려 300배 과인하다.

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이 사람들은 가볍지만 무엇보다 그 양이 위에 무거운 원자보다 압도적으로 많기 때문에 미행성체는 매우 빠른 속도로 성장했고 그 결과 태양계 구성원 중 가장 먼저 목성이 만들어졌다.이후 토성, 천왕성, 해왕성 순으로 행성이 만들어진다.

4. 목성의 접근

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목성이 급속히 커지면서 그 질량도 빠르게 증가해 이것이 태양과 목성의 중력을 더 키우고 목성은 서서히 태양에 끌리게 된다. 태양계 행성 가운데 목성이 가장 먼저 태어났다고 언급했다. 즉, 목성이 완전히 만들어졌을 때 내행성은 이제 막 미소행성체가 되어 성장하기 시작했다. 이 상태에서 목성이 안쪽으로 당겨지면 어느 하나 발생 활일까? 답은 여러분이 상상하는 대로다. 목성의 매우 난해한 중력에 의해 미행성체는 목성에 먹혔지만 본인은 궤도 밖으로 튕겨나가 버렸다. 이 과정에서 원시 행성은 목성의 중력 때문에 매우 난해한 소행성 폭격을 당하게 되는데 이를 Lateheavy Bombardment라고 부른다. 굳이 번역하자면 후기운석 대폭격기 정도가 될 것 같다. 달 뒷면에 있는 큰 크레이터는 모두 이 시기에 만들어진 것으로 보고 있다.

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목성은 이미 행성체를 튕겨내 우쭐하기도 했지만 무엇보다 그들을 자극해 훨씬 빠른 속도로 행성이 자라고 지나치도록 도왔다. 이들의 중력은 목성이 태양에 더 가까이 접근하는 것을 막았다. 게다가 목성이 튕겨져 버린 미행성체도 다시 목성을 잡아당기게 되고, 결국 목성은 다시 제자리로 돌아와 상회하고 말았다. 이 때 목성은 5AU에서 당시, 화성이 위치한 하나.5AU정도까지 접근했다고 보고 있다. 영상에는 안과인이 와 있지만 목성이 눌려 과인이 되면 목성 다 sound에서 늦게 탄생한 토성 천왕성 해왕성 또한 다 sound에 밀려 과인이 된다.   이렇게 밀려 나왔기 때문에 외행성의 행성 간 거리가 매우 높아져 있는 것입니다.

위의 영상은 너무 큰 질량체를 가져와 컴퓨터 시뮬레이션을 했는데, 거대 질량체가 접근함으로써 안쪽에 있던 미행성체가 튕겨져 나와 과인감을 확인할 수 있을 것이다.목성이 소행성대에 가까워져 되돌아온 미행성체는 오늘날 카이퍼 벨트(Kuiper belt)를 구성하는 천체와 올트 성운을 구성하는 혜성이 되었습니다. 이처럼 목성이 안쪽으로 이동한 모델을 우리는 Grand Tack Model이라고 부른다.

5. 결론

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위의 1련의 네 단계가 천문학계에서 받아들여지는 가장 최근의 이론이다. 겉으로는 그럴듯하지만 우리가 타이더머신을 타고 과거에 가지 않는 한 그것을 검증하는 것은 불가능하기 때문에 이론으로 남아 있다. 그래도 이 이론을 다른 태양계에 적용하고 대등한 과정이 1어 괜찮은 면 전체가 인정 이론이다. 그런데 문제는 이 과정이 수백만년 동안 1어 괜찮은 아키의 때문에 제대로 검증하기 어렵다는 것이다.