태양계의 진화 과정 1_지구형 행성들과 소행성

태양계의 진화

처음 태양계가 탄생했을 때의 모습과 현재 태양계의 모습은 매우 다르다고 알려져 있습니다. 초기 단계에서 외행성계는 지금보다 훨씬 단순한 구도였으며, 내행성 궤도에는 수성 정도 질량이 되는 원시 행성이 최소 다섯 개는 존재했었습니다. 또한, 카이퍼 대(천체가 밀집해 있고 구멍이 뚫린 원반형 영역)는 지금보다 더 먼 곳에 존재했다고 합니다. 이처럼 태양계는 지금도 계속 진화하고 변화하고 있습니다.

1. 지구형 행성들

행성 생성 시기의 끝자락에, 지금의 내행성 궤도에는 원시 행성이 가득했습니다. 대략 달에서 화성 질량 정도 되는 행성이 50개에서 100개 정도 존재했습니다. 이 들이 더 크게 성장하려면 서로 충돌하고 뭉쳐져야 했으며, 이 충돌 과정은 약 1억 년 동안 지속되었습니다. 이 원시 행성들은 서로 중력으로 영향을 미쳤고, 현재 알려진 네 개의 지구형 행성의 크기가 될 때까지 커졌습니다. 달은 한 번의 거대한 충돌로 탄생했다고 여겨집니다. 

이러한 이론에서 가장 큰 문제점은 원시 지구형 행성의 초기 궤도에 관해 설명할 수 없다는 것입니다. 서로 자주 충돌하려면 궤도의 이심률(원뿔 곡선이 원에서 벗어나는 정도)이 매우 높아야 합니다. 하지만 지금의 원에 가까운 궤도로 어떻게 정착되었는지를 설명할 수 없습니다.

이심률이 낮아진 원인을 설명하는 이론으로 두 가지가 있습니다. 첫 번째 이론은 태양에서 탈출하지 못한 가스 원반에서 지구형 행성이 탄생했다는 내용입니다. 동역학적 마찰이 이 잔여 가스 내에서 발생하여 행성의 에너지를 감소시킨 결과로 공전 궤도를 원에 가깝게 만들었다는 설명입니다. 두 번째 이론은 행성과 남아 있던 작은 천체 사이에서 동역학적 마찰이 일어났다는 내용입니다. 행성들이 작은 천체가 많이 몰려 있는 곳 사이를 헤치고 다니면서 작은 천체들은 행성 측으로 끌려가게 되었습니다. 그 과정에서 밀도가 높은 지대를 형성했고, 이들의 중력으로 큰 천체의 궤도를 원에 가까운 궤도로 바꾸었다는 설명입니다.

2. 소행성대

소행성대는 지구형 행성 지대 외곽인 태양에서 2~4천문단위 사이에 존재하는 부분을 의미합니다. 초기 소행성대에는 지구 3개 정도는 만들 수 있는 물질이 존재했습니다. 그 결과 많은 수의 원시 행성 또한 이곳에서 생겨났을 것으로 추측합니다. 이 지역에 있던 미행성들은 질량이 달에서 화성 정도에 이르는 원시 행성 20~30개 정도로 진화했습니다. 그러나 목성과 가까운 곳의 소행성대에는 큰 변화가 생겨났습니다. 태양 탄생 3백만 년 후의 일입니다. 소행성대에서는 목성 및 토성과의 궤도 공명이 특히 강했습니다. 이들보다 질량이 큰 원시 행성들과 중력적 상호 작용이 발생하였고, 많은 미행성은 공명 현상을 보이면서 사방으로 퍼져갔습니다. 이러한 공명 상태에 있는 천체들의 공전 속도를 목성의 중력이 더욱 증가시켜 서로 합쳐지지 않고 충돌하게 했습니다.

소행성대의 천체들은 점점 흩어지는 양상을 보였을 것입니다. 이는 목성이 탄생 후 태양에 더욱 가까운 곳으로 궤도를 옮기면서 일어나는 궤도 공명 때문입니다. 이후 소행성대 천체들의 궤도는 동역학적으로 불규칙해졌고, 서로에 대한 공전 속도가 빨라졌을 것입니다. 소행성대에 존재했던 미행성들은 원시 행성들의 궤도 공명으로 흩어졌거나 궤도 이심률이 불규칙해졌을 것입니다. 목성의 중력으로 인하여 이 원시 행성 중 일부는 원래의 궤도를 이탈하거나 내행성 지대로 궤도를 옮겼습니다. 이러한 과정에서 지구형 행성의 마지막 강착 단계가 이루어집니다.

이 시기 동안, 가스 행성 및 원시 행성은 소행성대에 있던 물질을 현재 지구 질량의 1퍼센트 수준만 남기고 다 사방으로 퍼져갔습니다. 이러한 상황 속에서도 소행성대에는 지금보다 10~20배는 많은 물질이 존재하고 있었습니다. 지금 남아 있는 소행성대 물질의 총질량은 지구의 2천 분의 1 수준에 불과합니다. 그다음 시기는 목성과 토성이 일시적인 2 대 1 궤도 공명을 보이면서 찾아온 것으로 분석합니다. 이때 현재 남아 있는 수준을 제외하고 소행성대에 있던 물질은 또다시 흩어져 나갔습니다.

지구에 많은 물이 공급되었을 것으로 추측하는 시기는 내행성에 거대 충돌이 일어나던 시기입니다. 내행성으로 흩어져 날아 들어온 소행성 물질 덕분에 물이 공급될 수 있었다고 추측합니다. 즉, 물은 더 차가운 바깥쪽 궤도에서 온 천체를 통해 공급되었을 것입니다. 그 이유는 물의 강한 휘발성으로 인하여 지구가 생겨난 장소에서는 액체 상태로 존재할 수 없기 때문입니다. 그래서 목성 때문에 흩어진 소행성대에 있던 작은 미행성과 원시 행성이 물을 지구까지 운반하였을 것입니다. 지구에 물을 공급했던 가장 유력한 원천으로 여겨지는 것이 2006년 발견된 주띠 혜성 집단입니다. 카이퍼 대 또는 더 먼 곳에서 온 혜성들이 지구에 가져온 물의 양은 아마 6퍼센트를 넘지 않을 것입니다. 그 외에 배종발달설이 있는데, 이 이론에 따르면 생명체도 이런 식으로 물과 함께 지구에 도착했을 것으로 보고 있습니다. 그러나 폭넓게 인정되지는 못하고 있습니다.