태양계 건축가 목성은 아기 지구의 수호신
하이커뮤니티매니져
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목성 탐사선 주노가 촬영한 목성. 목성은 한편으로는 내행성들이 태양에 이끌려 더 안쪽으로 이동하지 않도록 붙잡아주고, 다른 한편으로는 외곽에서 오는 소행성들과의 충돌을 막아줬다. 미국항공우주국 제공
태양계의 행성을 별로 생각했던 고대인들에게 목성은 별 중의 별이었다. 금성이 더 밝기는 했지만 새벽이나 저녁에 잠깐 뜨는 반면, 목성은 해가 질 때 동쪽에서 떠서 해 뜰 무렵 서쪽으로 질 만큼 밤하늘에서 빛나는 시간이 훨씬 길었다. 고대 로마인들은 그래서 목성을 최고의 신이자 신들의 왕인 ‘주피터’(그리스신화에선 제우스)에 비유했다. 오행사상을 창안한 고대 중국인들은 ‘목-화-토-금-수’로 이어지는 오행 순환의 시작점인 ‘목’을 이 별의 이름으로 삼았다.
목성은 세성(歲星)으로도 불렸다. ‘한 해를 재는 별’이라는 뜻이다. 목성이 하늘을 한 바퀴 돌아 제자리에 다시 오는 주기, 즉 공전주기가 약 12년인 점에 착안해 목성의 황도상 이동거리를 한 해 길이를 정하는 기준별로 삼았다. 이는 나중에 시간 순환 주기 ‘60갑자’의 한 축을 이루는 12지(자축인묘진사오미신유술해)의 모태가 됐다. 태양, 달과 함께 시간의 흐름을 하나의 체계로 파악하게 해준 천체가 바로 목성이다.
초기 율력체계의 뼈대가 된 이 목성이 지구를 포함한 4개 내행성을 구조화한 건축가 역할을 했다는 연구 결과가 나왔다.
태양계 행성의 역사는 미행성체(planetesimal)에서 시작된다. 미행성체란 태양계 초기에 먼지와 얼음 입자들이 서로 뭉쳐 생긴 수km에서 수백km 크기의 천체를 말한다. 이들은 서로 부딪히고 합쳐지면서 원시행성 단계를 거쳐 행성(planet)으로 진화했다.
과학자들이 운석을 분석한 바에 따르면 태양계의 미행성체들은 두 세대로 나뉘어 있다. 첫번째 그룹은 철질 운석의 모체로 태양계 첫 100만년 안에 빠르게 형성되었고, 두번째 그룹은 칼슘과 알루미늄이 풍부한 석질 운석(콘드라이트)의 모체로 200만~300만년 후에 형성됐다. 이 두번째 그룹이 나중에 지구와 화성, 금성 등의 내행성을 만들었다. 하지만 이것들이 어떻게 만들어졌는지는 베일에 싸여 있었다.
초기 태양을 둘러싸고 있는 원시행성 원반에서 가장 먼저 목성이 생기고, 이 목성이 안쪽 고리 사이에 틈을 만들어 오늘날의 내행성 모체를 형성하는 과정을 묘사한 그림. 라이스대 제공
7개 행성 질량 합계보다 2배 더 큰 목성
미국 라이스대 연구진이 초기 태양계의 유체역학과 행성 형성에 대한 컴퓨터 모델을 돌려본 결과, 목성이 지구형 행성으로 진화한 두번째 그룹을 만들고 보호하는 역할을 한 것으로 추정된다고 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 발표했다.
태양계의 다른 모든 행성의 질량을 합친 것보다 2배 이상 큰 목성의 거대한 중력이 오늘날의 내행성 시스템을 구축했다는 것이다. 목성의 질량은 지구 질량의 318배다. 반면 목성을 제외한 7개 행성의 총 질량은 지구 질량의 129배다. 목성 안쪽의 수성과 금성, 지구, 화성은 모두 합쳐봤자 지구 질량의 2배에 불과하다.
태양계 행성 중 가장 먼저 생긴 목성의 형성 시기는 150만~200만년으로 추정된다. 초기 태양계에서 원시행성 원반을 구성하고 있던 외곽의 가스와 먼지가 응결되면서 가장 먼저 형성된 천체가 목성이다. 연구진은 이후 목성은 한편으로는 지구를 비롯한 내행성들이 태양에 이끌려 더 안쪽으로 이동하지 않도록 붙잡아주고, 다른 한편으로는 태양계 외곽에서 날아오는 소행성들과의 충돌을 막아주는 역할을 했을 것이라고 밝혔다.
태양계의 골디락스 영역(거주 가능 영역, 녹색)은 지구와 화성에 걸쳐 있다. 코넬대 제공
목성이 만든 틈이 결정적 역할
연구를 주도한 바이바브 스리바스타바 박사는 “만약 목성이 없었다면 지구는 지금보다 훨씬 큰 슈퍼 지구가 됐을지도 모른다”고 말했다. 그는 그럴 경우 지구는 골디락스 영역의 조건에서 벗어났을 수 있다는 점에서 목성의 역할은 매우 중요한 의미가 있다고 덧붙였다. 골디락스 영역이란 행성 표면에 물이 액체 상태로 존재할 수 있을 만큼, 별과의 거리가 너무 멀지도 너무 가깝지도 않은 구역을 가리킨다.
연구진은 목성이 강력한 중력의 힘으로 원시행성계 원반에 새로운 고리와 틈을 만들면서 두번째 미행성체 그룹이 형성될 수 있도록 했다고 밝혔다. 이는 태양계를 지금의 형태로 재구성하는 쪽으로 작용했다. 태양이 건축 재료를 모아놓고, 목성이 이 재료로 건축물을 쌓은 셈이다.
이때 형성된 미행성체에서 떨어져 나온 것이 콘드라이트 운석이다. 콘드라이트 운석은 액체로 녹았다가 다시 굳어진 1세대 그룹과 달리 원래의 화학 조성을 유지하고 있다. 여명기 태양계가 남겨놓은 타임캡슐이라고 할 수 있다. 연구를 이끈 안드레 이지도로 교수는 “목성은 가스 원반에 틈을 만듦으로써 내행성과 외행성의 물질을 분리시켰다”며 “덕분에 각 물질의 고유한 특징이 보존될 수 있었고 나중에 미행성체가 형성될 수 있는 새로운 영역도 만들어냈다”고 말했다. 스리바스타바 박사는 “이번 연구를 통해, 과거 연결점을 찾지 못했던 두 가지 유형의 운석이 행성 역학을 매개로 하나로 연결됐다”고 말했다.
태양과 8개 행성, 화성과 목성 사이의 소행성대를 묘사한 그림. 미국항공우주국 제공
목성 없었다면 현재 위치 지키지 못했을 것
이번 연구는 지구를 포함한 내행성들이 어떻게 태양으로부터 0.72~1.5AU(1AU=지구~태양 거리) 사이에 모여 있게 됐는지도 설명해준다. 행성계 형성 초기의 원시행성들은 중심별 쪽을 향해 직선이 아닌 나선형으로 이동하는 것이 일반적이다. 궤도 운동과 중력 상호작용의 영향으로 별을 공전하면서 점차 궤도 반경이 줄어드는 형태로 움직인다.
하지만 태양계에선 거대한 목성이 이 흐름을 차단했다. 이에 따라 행성들은 태양 쪽으로 다가가는 대신, 현재 위치에 그대로 머물러 있을 수 있게 됐다. 연구진은 목성이 없을 경우 지구형 행성들은 수성 궤도 안쪽까지 이동했을 수 있다는 계산 결과가 나왔다고 밝혔다.
이지도로 교수는 “목성은 단순히 가장 큰 행성이 되는 데 그치지 않고, 태양계의 내행성 구조를 쌓았다”며 “목성이 없었다면 우리가 아는 지구는 없었을 것”이라고 말했다.
연구진은 이번 연구 결과는 칠레 북부 알마천문대 망원경으로 관측한 어린 항성계의 고리-틈 구조에서도 확인할 수 있다고 덧붙였다.
곽노필 선임기자
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