태양계의 기원: 성운설의 각운 동량 보존에서 설명하는

현대 천문학은 태양계의 거대한 성운이 수축해서 만들어졌다는 것이다. 이른바 성운설이다. 수축의 중심에는 태양이, 바깥에는 태양이, 남은 물질에 의해 행성이 만들어졌다는 게 성운설의 핵심이다. 이 같은 성운설은 칸트와 라플라스에 의해 제안됐고 결국 태양계 밖에서 행성계가 발견돼 만들어지는 별 주변에서 원반이 관측되면서 정설로 받아들여졌다. 성운설은 태양이 태양계의 중심에 있고 그 주위를 지구를 포함한 행성이 돈다는 것을 자연스럽게 설명한다.

지구를 우주의 중심이라고 생각했던 고대 그리스 학자들의 생각도 그리 엉뚱한 것은 아니었다. 그들의 눈에는 하늘의 천체가 지구를 중심으로 돌고 있는 것처럼 보였기 때문이다. 해와 달, 행성, 항성의 모든 천체가 동쪽에서 떠올라 서쪽으로 지는 것이 지구를 중심으로 모든 천체가 돌고 있기 때문이라고 본 것이다. 물론 이 현상은 모든 천체는 가만히 있어 이들의 중심에 있는 지구가 서쪽에서 동쪽으로 자전해도 설명할 수 있다. 그러나 태양의 고도나 달의 고도가 바뀔 뿐 아니라 행성의 운동도 변하기 때문에 이들 운동을 설명하는 가장 단순한 방법은 이것이 지구 중심설의 핵심이다.

프톨레마이우스의 우주 모형 중앙의 「X」가 이심으로 주전원은 점산으로 표시한 작은 원이다.( 출처 : Fastfission , Wikimedia Commons )

행성은 그 단어가 가리키듯 움직이는 별이라는 뜻인데, 이 움직임은 비교 대상이 있어야 하고, 이 비교 대상이 고정별, 즉 항성이다. 항성은 천구에 고정되어 있어서 상대적인 위치가 변하지 않는다. 반면 행성은 항성에 대한 상대적인 위치가 바뀌기 때문에 움직이는 별, 즉 행성으로 불린 것이다. 그런데 행성이 움직이는 방향이 일정치 않게 바뀌기 때문에 지구중심설로서 행성의 운동을 설명하기 위해 도입된 것이 주전원이다. 주전원은 소원이고 주전원의 중심은 이심 주위를 원운동한다. 지구는 이심에서 조금 떨어져 있어 행성들은 이 주전원을 따라 움직인다는 것이다. 이렇게 하면 행성의 방향이 다른 천체의 움직임과 같은 순행에서 반대 방향 역행으로의 변화를 설명할 수 있다.

고대 그리스시대의 모든 학자가 지구 중심설에 동의한 것은 아니다. 아리스탈코스는 삼각법을 이용해 해와 달의 크기와 거리를 측정해 태양이 지구보다 크다는 것을 알아냈다. 작은 천체가 큰 천체의 주위를 도는 편이 자연스러우므로 앨리스탈코스는 지구가 태양 주위를 돈다고 생각하였다. 그의 추론은 합리적이었지만 당대 학자들에게는 햇볕중심설은 받아들여지지 않았다. 하지만 여기엔 이유가 있다. 지구가 태양 주위를 돌려면 별의 시차가 보여야 하는데 그렇지 않았기 때문이다. 고대 그리스 학자들이 시차가 보이지 않는 것을 태양 중심설의 반증으로 삼은 것은 이들이 생각했던 우주가 그리 크지 않아 지구의 운동으로 별을 보는 위치가 바뀌면 시차가 반드시 관측된다고 믿었기 때문이다. 이들의 잘못은 우주가 시차가 보일 정도로 작다는 가정에 대해서는 조금도 의심하지 않았다는 것이다. 오늘날 별의 시차는 근처에 있는 별의 거리를 측정하는 가장 직접적인 수단인데 시차 측정이 가능해진 것은 사진으로 천체 사진을 찍어 위치 변화를 측정할 수 있게 된 19세기에 들어서다.

태양 중심설로 설명 가능한 금성 의 위상.(출처:Nichaip-http://history.nasa.gov/SP-424) 2020년 5월 13일 15시경 밀양아리랑 우주천문대에서 관측한 금성의 위상은 그림에서 보이는 초승달의 모습이었다.

코페르니쿠스에 의해 태양 중심설이 다시 주장되면서 갈릴레오가 수행한 금성의 위상 관측, 목성의 위성 관측 등을 통해 태양이 행성 운동의 중심이며 지구를 포함한 모든 행성은 태양 주위를 돈다는 것이 더욱 명확해졌다. 케플러는 이어 행성이 태양을 초점으로 하는 타원운동을 한다고 밝혔을 뿐만 아니라 공전주기의 제곱이 궤도 긴 반지름의 입방에 비례한다는 조화의 법칙을 발견해 행성의 운동에 대한 완전한 이해에 도달했다.

태양계의 기원에 관한 성운설은 모든 행성의 공전궤도면이 황도면과 거의 나란히 있어 모든 행성이 같은 방향으로 공전한다는 관측 사실을 쉽게 설명할 수 있다. 이를 위해 필요한 물리학 지식은 고교생이라면 누구나 배우는 운동량 보존 법칙이다. 각운동량(L)은 회전축으로부터 거리(r), 가스의 질량(m), 회전속도(v)에 비례하여 L=rmv로 표시할 수 있다. 수축이 진행되면 가스 입자의 거리가 줄어들기 때문에 각 운동량을 저장하려면 회전 속도가 늘어나야 한다. 그런데 회전속도 증가와 거리감소는 원심력을 증가시켜 회전축에 수직인 방향에서는 성운의 수축이 어려워진다. 그 결과 회전축에 늘어선 방향은 수축이 진행되며 수직 방향에서는 원심력과 중력이 균형을 잡으면 수축이 정지돼 원반 형태로 물질이 분포한다. 물론 성운의 중심부는 밀도가 커서 수축이 빨리 일어나고 각운동량이 작기 때문에 모든 방향의 수축이 거의 비슷하게 일어난다. 즉 수축된 성운의 중심부에는 거의 구형의 태양이 만들어지고 바깥쪽에는 원반이 만들어지는 것이다.

허블 우주 망원경이 찍은 백조자리의 질병 탄생 지역(출차: NASAESA)

행성은 원반 위에 생긴 작은 미행성체가 뭉쳐 만들어지는데 구체적인 시나리오는 다소 복잡하지만 이런 형태의 행성은 원반 위에서 만들어졌기 때문에 공전궤도면이 비슷해 같은 방향으로 회전하게 된다. 목성형 행성의 경우 중심에 행성이 만들어지고 그 주변에 위성이 만들어지며 태양계의 축소판과 같은 형태로 만들어진, 행성이나 위성이 되고 남은 미행성체는 중심에 있는 태양으로 끌려가거나 행성의 중력섭동을 받아 화성과 목성 사이에 모여 소행성대를 이루고 나머지는 해왕성 밖으로 밀려나 카이퍼대의 작은 천체, 즉 KBObject(Kuiper Bel)와 목성 사이에 모여 소행성 사이에 남는 천체. 물론 원반으로 충분히 수축하기 전에 만들어진 미행성체는 보다 바깥쪽에 거의 구형으로 분포해, 장주기 혜성의 핵이 되는 오토 구름이 되었다.

오리온좌에서 관측된 원시 행성계 원반의 생성.( 出典 : C . R . O ' DellRice University ; NASA - http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/1994/24/image/b

현대의 천문학에서는 수치의 모델 계산을 통해 별과 행성의 성운의 탄생 과정을 재현할 수 있다. 물론 태양계의 모든 특성을 재현하는 모형을 만드는 것은 먼 일이지만 가장 중요한 특성인 공전의 특성은 잘 재현하고 있다. 한동안 성운설에 대해 각 운동량의 재분배를 제대로 설명하지 못한다는 비판이 있었지만 자기장과 연결된 태양풍으로 각 운동량의 재분배도 어느 정도 설명이 가능하다. 성운설의 아름다움은 가장 기초적인 물리 법칙으로 태양계의 기원을 이해할 수 있다는 점이다. 이미 앞서 말한 것처럼 성운설 제안자 칸트는 성운설을 은하계의 규모로 확대해 은하계의 생성을 이해할 수 있고, 은하계에 별이 태양만 있는 것처럼 우주에 은하만 있는 것이 아니라 은하는 수많은 섬 우주의 하나라는 섬 우주를 제창했다. 이성의 위대함이여. 우주를 이해하기 위해서 칸트에게 필요했던 것은 고교생의 물리 지식이었다.

주전원과 이심을 받아들여 정교한 기하학적 설명으로 행성의 운동을 설명하려는 지구 중심설은 금성의 위상, 목성의 위성 등 육안으로는 보이지 않는 우주의 모습을 설명하지 못하고 폐기된 반면 각운동량 보존이라는 기본 원리에 기초한 성운설은 새로운 우주의 모습이 관측된 오늘날에도 살아남았다. 우리는 무엇을 배울 수 있을까? 눈앞에 나타난 현상의 단편을 설명하기 위해 매번 새로운 가설을 도입하는 우를 범해서는 안 될까. 기본원리에 충실하면 보이지 않는 것도 설명할 수 있는 지혜를 갖게 될 것이다.