우주의 끝을 찾아서. 별의 생성부터 커지는 우주의 크기 _우주먼지 지웅배 @방송대정보 솔라시스템 인 스페이스 | 과학 | 천문학자 | space | solar | 교육 |

고개만 들어도 지구 바깥이라 말이 있습니다 간단하게 딱 고개만 들면 순식간에 우리 시선의 끝은이 작은 지구를 벗어나 수천 수만 광년의 우주까지 닫게 되죠 이처럼 밤하늘에서 멀리 반짝이고 있는 수많은 별들은 우리가 태어나기도 한참 이전 수억년 전에 우주의 비밀을 간직한 아주 소중한 추억을 품고 있습니다 이처럼 우린 정말 광할한 우주에서 살면서 너무 좁은 먼지 같은 지구에서 하루하루를 열심히 살고 있죠 우주의 거대한 관점에서 봤을 때 우리 인간은 정말 먼지 티끌만도 못한 자고 하차는 존재일지도 모르겠습니다 하지만 잠시이 각박한 지구 일상을 벗어나 우주를 느껴 본다면 여러분들도 한층 더 즐겁게 하루를 마무리할 수 있지 않을까 싶은데요 안녕하세요 저는 오늘부터 여러분들과 함께 우리 우주이 태양계 여행을 함께 하게 된 우주먼지 지배합니다 지금부터 저와 함께 솔라 시스템 인스페이스 여행을 통해서 그동안 알지 못했던 우주의 다양한 모습을 만나 보시게 될 겁니다 오늘은 그 첫 번째 이야기로 우리 우주가 얼마나 거대한지 우주의 크기에 대한 이야기를 나눠보도록 할 텐데요 인간의 상상을 훨씬 뛰어넘는 아니 상상이란 표현 자체가 감히 형용을 수 있을지조차 모르는이 정말 거대한 우주의 크기에 대해서 듣고 나신다면 아마 여러분들은 한층 더 겸손하게 우주를 느끼지 않을까 싶습니다 그러면 지금부터이 우주에 살고 있는 우리가 얼마나 작은 존재인지 또 태양계가 얼마나 비좁았던 세계인지 본격적인 이야기를 시작해 보도록 하겠습니다 오늘은 처음으로 제가 아주 인상깊게 들었던 한 건축가의 문장으로 시작을 해 볼까 합니다 그는 이렇게 이야기를 했습니다 기호와 상징이 없다면 우주 공간도 존재하지 않는다 어쩌면 아마도 우주는 지금껏 존재한 적이 없는지도 모른다고 말이죠이 난해해 보이는 문장에 숨어 있는 뜻은 무엇일까요 사실 우리는 그동안 우주를 굉장히 다양한 모습으로 그림을 그려왔습니다 하지만 여러분들이 과연이 머릿속에 마음속에 그리고 있는 우주가 실제로 우리의 진짜 우주를 그대로 대변한다고 볼 수 있을까요 한번 제가 여러분들께 짧은 부탁을 한번 드려 보겠습니다 지금부터 딱 5초 동안 태양계를 떠올려 보세요 그리고 한번 마음속에 태양계가 어떤 모습일지를 그려 보시면 좋겠습니다 아마 여러분들은 태양계를 딱 떠올렸을 때 우리가 구글링을 하면 쉽게 찾을 수 있는 이런 방식의 태양계 모습을 떠올렸을 거라고 생각을 합니다 아주 흔하게 볼 수 있는 장면이죠 예를 들어서 우리가 그림을 하나만 한번 골라 본다고 생각을 해 볼게요 이처럼 한가운데 큼직한 태양이 적당한 크기로 들어가 있고 그 그 주변에 하얀 선을 따라서 행성들이 마치 탕후루 럼 꽂혀서 돌고 있는 그런 귀여운 모습을 떠올리겠죠 하지만 우리가 흔히 생각하는이 태양계의 모습은 실제와는 전혀 다른 우리의 왜곡된 기억과 경험을 바탕으로 표현된 가짜 그림일뿐입니다 사실 엄밀하게 보자면 이런 그림 속에 표현된 태양계와 각 천체들의 사이즈는 전혀 실제 비율이 반영되지 않은 그림이죠 게다가 태양으로부터 떨어져 있는 각 들의 궤도 비율 역시 실제값을 전혀 반영하지 못하고 있습니다 사실 태양만 해도 워낙에 거대한 세계입니다 우리가 종이 한장 위에 태양계 모든 천체들과 그 크기 비율을 모두 맞추어서 그림을 그린다면 사실상 불가능에 가까울 정도로 엄청 거대한 세계죠 이처럼 우리는 너무나 잘 알고 있을 거라 생각했던 태양계 사실과 크게 다른 이상한 모습으로 기억을 하고 있습니다 그렇기 때문에 그 축가는 이런 이야기를 했던 거죠 우리가 그동안 머릿속에 잘 알고 있을 거라 생각했던 우주는 사실 실제 우주와는 다른 우리의 상징과 기호가 반영된 하나의 그림일 뿐이다라고 말이죠 그래서 오늘 저는 오늘부터 시작하는이 태양계 여행을 통해서 여러분들을 가두고 있는이 패러다임이라는 감옥을 벗어나서 좀 더 객관적으로 좀 더 거칠게 말하자면 비인간적인 관점으로 우리의 고향 태양계를 다른 눈으로 바라보게 만드는 그런 목적을 가지고 여행을 떠나볼까 합니다 제가 예전에 한 교수님과 이야기를 나누면서 굉장히 재미있는 설명을 들었던 적이 있는데요 우린 보통 한 시대를 아우르는 우주관 그 세계관을 패러다임이라고 부릅니다 하지만 한발짝 물러서서 생각을 했을 때 이런 식으로도 이야기해 볼 수 있지 않을까 싶은데요 패러다임이라고 하는 것은 사실은 수백년 동안 아직 들키지 않아서 모두가 그대로 믿고 뿐인 일종의 거짓말이라고 말이죠 결국에 또 먼 시간이 흐르고 나면 우리가 지금 이야기하고 있는 우주이 태양계에 대한 패러다임과 인식 역시 또 크게 달라질 거라고 저는 생각을 합니다 그런 점에서 오늘부터 우리는이 패러다임이라고 하는 것을 아직은 내가 비록 벗어날 수 없을지라도 언젠가 우리 인류가 그 벽을 허물고 나아가야만 하는 일종의 인식의 감옥으로 생각해 보는 건 어떨까 싶네요 그리고 오늘부터 시 하는이 태양계 여행을 통해서 그동안 여러분들을 가두고 있었을지 모르는 그 태양계에 대한 헛된 인식의 감옥 그 벽을 허물어 보는 시도를 해 보겠습니다 일단 그 첫 번째 시도로서 이제부터 저는 여러분들에게 태양 계라는 단어가 얼마나 이젠 무의미한 표현인지 한번 설명을 드려 보고 싶은데요 일단 우리가 살고 있는 태양계의 그 실제 모습을 한번 구경해 보면 좋겠죠 우리가 잘 알고 있는 것처럼 태양계는 태양을 중심으로 주변에 수 금 치화 목토 천 해까지 총 여덟 개의 큼직한 천체들이 빙글빙글 돌고 있는 작은 세계입니다 물론 행성들 말고도 그 중간중간 껴 있는 소행성이나 해성 같은 작은 부스러기들 많이 존재하고 있죠 그리고 린 그 태양을 중심으로 한 태양계에서 세 번째로 적당한 거리에 떨어져 있는 아름다운이 지구라는 행성에 살고 있습니다 하지만 불과 20년 까지만 해도 인류는 이런 태양계 행성을 거느리고 있는 별이 우리 태양계 하나만이라도 생각을 해왔지만 사실은 그렇지 않았습니다 불과 지난 20년 사이에 우린 태양 말고도 너무나 수많은 별들이 주변에 자신만의 세계를 아우르고 있다는 걸 알게 되었죠 벌써 우리가 그 행성의 존재가 유추되는 후보 행성들 해도 만개를 돌파하고 있습니다 이처럼 이제 외계 행성 엑소플레닛이란 개념을 알게 된 지금 우린 더 이상이 태양계를 특별한 스페셜 원으로 바라볼 필요가 없어지게 된 거죠 태양계도 사실은 우주를 가득 채우고 있는 수많은 별 수많은 행성계를 중에 단 하나 원오브 데에 불과한 것습니다 그래서 오늘부턴 여러분들에게이 태양계는 키워드는 머릿속에서 지워버리고 좀 더 보편적인 표현인 행성계 아는 키워드로 우주를 바라보시길 부탁드리고 싶은데요 행성계 말 그대로 로 중심에 어떤 별이 있고 그 주변에 하나 이상의 행성들이 빙글빙글 돌고 있는 하나의 시스템 하나의 세계를 이야기를 하게 됩니다 따라서 우리가 태양계는 어떻게 만들어졌을까 태양계는 왜 이런 지금과 같은 모습을 갖게 되었을까를 고민하기 위해선 이제는 태양계만들기 비롯한 우주의 수많은 별과 행성계 대체 어떤 과정을 통해 만들어지게 되는 걸까요 현재 천문 학자들은 그 비밀에 대해서 어느 정도 답을 갖고 있습니다 우주 공간을 보면 지금 보시는 영상처럼 아주 거대한 규모로 높은 밀도에 가스 먼지구름이 모여 있는 커다란 구름 덩어리들을 볼 수 있는데요 우린 이것들을 분자로 이루어진 가스구름 분자 구름이라고 부릅니다 이렇게 분자 덩어리가 둥둥 떠 있는 구름이 존재하게 되면 그 속에 있는 입자들 그리 서로 중력을 주고받게 되 그러면서 조금씩 조금씩 가스 그름은 사이즈가 줄어들게 되고요 일종에 중력 수축 과정을 거치게 됩니다 그리고 그 과정을 통해서 점차 가스 그름의 밀도가 더 높아지고 결국에 퍼져 있던 에너지가 한대 중심으로 모이면서 가스구름 중심부의 온도 역시 훨씬 뜨겁게 올라가게 되죠 이처럼 가스구름 중심부의 온도가 뜨거워지고 밀도가 높아지면 또 한차례 중요한 변화가 벌어집니다 까진 어지간해선 서로 음겨 붙어서 붙어 있으려고 하지 않았던 가스 입자들이 서로 강한 속도로 부딪히면서 충돌과 융합을 하게 되는 거죠 이러한 과정을 우리는 별 중심에서 벌어지는 원작들 그리의 융합 핵융합 반응이라고 부릅니다 이렇게 핵융합 반응이 시작이 되면 이젠 가스 그름의 중심부에서 새로운 에너지가 만들어지게 되고요 이젠 그 내부의 뜨거운 열로 인해서 중력의 대항해 바깥으로 팽 하려고 하는 압력도 만들어지게 되죠 이렇게 점차 별 내부의 온도가 더 뜨거워지고 중심에서 중력에 대항하는 팽창 압력도 충분히 강해지게 되면 이제 수축하다 분자 가스 그름은 더 이상 작아지지도 않고 또 더 커지지도 않고 일정한 사이즈를 유지하면서 밝게 달아오르게 되죠 이렇게 중력과 팽창 압력이 균형을 이루게 된 그 시점을 정지한 역학적인 평형 상태다 해서 정 각 평이라고 부릅니다 그리고 이렇게 더 이상 수축과 팽창도 하지 않는 안정적인 가스구름 덩어리가 되고 나면 천문학에 이것을 별 스타가 되었다라고 이야기를 하게 되죠 따라서 천문학적으로 봤을 때 진정한 우주의 스타로 대비를 하기 위해선 크게 두 가지의 조건이 필요하다고 볼 수 있습니다 일단 첫 번째 내부에서 핵융합 반응을 통해서 스스로 에너지를 만들고 빛을내는 자급 자족이 필요할 거고요 두 번째 내부에서 충분히 뜨거워진 온도 그 열에 의한 압력을 통해서 자신의 중력에 대항하고 일정한 크기를 유지할 수 있는 정역학 평형 상태도 이루어야 하겠죠 이렇게 적당한 사이즈의 별이 만들어지고 나면 이젠 그 주변에 있던 남아 있는 부스러기 구름들도 굉장히 흥미로운 변화를 겪게 됩니다 원래 우주에 떠 있던 모든 분자 구름들은 적당히 느린 속도로 회전하는 성분을 갖고 있습니다 그런데 가스 구름 덩어리가 중력 수축을 하게 되고 사이즈가 줄어들게 되면 점차 회전의 반경이 짧아지는 영향을 받게 되죠이 과정에서 또 굉장히 중요한 변화를 우리가 생각해 볼 수 있는데요 일단 첫 번째 가스 구름이 수축하는 과정에서 작용하는 중력이 어떻게 작용할지 생각해 보겠습니다 제가 여러분들이 알아보기 쉽게 특정한 포인트를 세 개를 찍어 봤는데요 일단 회전축을 따라서 놓여 있는 가장 꼭대기의 점이 있고요 그리고 그 살짝 아래 에 놓여 있는 두 번째 점 마지막으로 거의 적도 지역에 해당하는 옆에 찍혀 있는 점입니다 중력은 동그란 가스 구름에 한 가운데를 향해서 모두 같은 세기로 작용을 하겠죠 하지만 가스 구름이 작아지고 회전 반경이 짧아지고 동시에 회전의 속도가 점점 빨라지면서 우린 또 다른 종류의 힘을 생각해 볼 수 있습니다 바로 회전하는 축에서 멀리 벗어나서 튕겨 날아가려고 하는 일종의 원심력이 하는 가상의 힘이죠 원심력은 회전의 반경이 더 길어질수록 더 강해집니다 따라서 다시 생각해 보면 회전축에 정확하게 올라가 있는 그 첫 번째 점은 회전 반경이 거의 없으니까 느끼는 원심력 거의 없다고 볼 수 있겠죠 하지만 아래쪽으로 내려가면서 점점 회전 반경은 길어지게 될 것이고 결국 그 포인트가 느끼는 원심력의 세기 역시 더 강해지게 될 겁니다 따라서 우리가 봤을 때 그 가스 그름에 모여 있는 각각의 입자들은 바깥으로 튕겨 가려고 하는 원심력과 안으로 끌려 들어가려고 하는 중력이 두 가지 힘이 모두 합해진 결과대로 움직이게 되겠죠 따라서 안쪽의 중력과 바깥으로 작용하는 원심력을 모두 고려해서 각각의 점들이 어떻게 흘러갈지 우리가 그림을 그려 보면 이런 식으로 가장 위쪽에 축에 놓여 있던 점은 중력에 의해서만 그대로 가라앉는 모습을 생각해 볼 수 있고요 가장 바깥쪽에 적도 근처에 놓여 있던 점은 그나 제일 약한 중력으로 천천히 끌려 들어오는 이런 방식의 모습을 생각해 볼 수 있을 겁니다 결국에 시간이 한참 지났을 때 원래 동그랬던 공 모양의 가스 구름이 어떻게 될지를 생각해 보면 마치 피자 도우를 빙글빙글 돌리는 것처럼 납작한 먼지 원반이 만들어진다고 볼 수 있죠 이처럼 아기 별을 만들고 그 주변에 남아 있던 부스러기가 납작한 원반 도넛과 같은 형태를 띄게 되는데요 천문학에서 이것을 원시 행성 원반 프로토 플라리 디스크라고 부릅니다 우리 태양계도 지난 50억년 전 바로 이러한 과정을 통해서 만들어진 거고요 그렇기 때문에 지금 태양 주변을 돌고 있는 대부분의 덩치큰 행성들이 거의 다 비슷한 평면 위에서 궤도를 돌고 있는 겁니다 잘 생각해 보시면 태양 주변의 행성들이 누구는 이렇게 수직하게 돌고 누구는 옆으로 돌고 이런 식으로 전혀 다른 각도로 기울어져 돌고 있지 않죠 마치 투명한 쟁반이 올려 있는 것처럼 그 위에서 함께 같은 공전 궤도면 공유하고 있습니다 실제로 이젠 관측 기술이 좋아지면서 우리 태양계뿐만 아니라 아주 먼 거리에 떨어진 다른 별 주변에서 이제 막 형성되고 있는 이런 먼지 원반 원시 행성 원반의 존재도 확인할 수 있습니다 이처럼 우리 태양계도 지난 45억년 전부터 지금까지 천천히 먼지 원반을 반죽하고 그 주변에 남아 있던 부스러기가 하나둘 행성이 되어 가면서 지금과 같은 모습을 만들었다고 볼 수 있지요 이렇게 먼지 원반이 형성되는 과정에서 우린 또 자연스러운 다음 단계 과정도 생각해 볼 수 있습니다 먼지 원반 한 가운데 이제막 태어난 뜨거운 아기별 아기 태양이 있었을 겁니다 당연히 별에서 그리 멀지 않은 먼지 원반의 안쪽 경계에서는 별빛을 더 많이 받았을 것이고 온도가 더 뜨거웠 있죠 그러면 온도의 민감한 쉽게 날아갈 수 있는 가스 성분이나 수증기 같은 성분은 많이 살아남을 수 없었을 을겁니다 반대로 먼지 원반의 외곽으로 벗어나게 되면 좀 더 별에서 거리가 멀어지게 되고 그곳에 도달하는 별빛도 약해집니다 따라서 더 낮은 온도가 유지가 되겠죠 그러면 증발하게 쉬운 수증기나 얼음 같은 성분도 훨씬 많이 남아 있을 겁니다 결국 자연스럽게 별의 주변 행성계 안쪽에서 만들어질 수 있는 행성의 재료와 행성계 바깥 원반 바깥에서 반죽할 수 있는 행성의 재료는 크게 달라지게 되는 거죠 실제로 이러한 흔적은 우리 태양계의 모습에서도 아주 쉽게 확인할 수 있습니다 자 여기서 또 퀴즈 지금 순서대로 수금지화 목토 천해 우리 태양계 여덟 개 행성들이 쫙 나열되어 있는데요 여기에서 여러분들이 한번 임의로 선을 하나 그어 놓고 우리 태양 행성을 두 가지 그룹으로 쪼개 본다고 생각을 해 볼게요 누구와 누구 사이에 선을 그어야 가장 마음 편하게이 행성들을 분류할 수 있을까요네 아마 많은 분들이 마음속에 생각하 하신 것처럼 화성과 목성 사이의 선을 그야 할 거라고 생각할 수 있습니다 공교롭게도 딱이 선을 기준으로 안쪽에 있는 수 금치 화네 개의 내 행성들은 우리 지구처럼 작은 딴딴한 암석 덩어리 돌멩이 행성이 반대로 목성 이어지는 목토 천의 바깥에 모든 네개 외 행성들은 목성 럼 거대한 가스로 이루어진 가스 행성입니다 그래서 천문학자들은 안쪽의 내 행성을 지구의 친구 지구형 행성이라고 부르고요 바깥에 있는 목토 천에 목성을 닮은 가스 행성들을 목성형 행성이라고 분류하기도 합니다 이처럼 태양계 안쪽에 있는 암석 행성 태양계 바깥에 있는 가스 행성 깔끔하게 분류되는 모습은 우리에게 너무나 익숙한 모습이죠 그런데 과연 다른 별 우리 외계 행성들도 이런 모습이 일상적일 그요 놀랍게도 그렇지 않습니다 지금까지 천문 학자들이 발견한 수많은 외계 의 통계를 보면 너무나 당황스럽게도 우리 태양처럼 행성들이 예쁘게 배열된 상태는 보기보다 드문데요 특히 가장 우리를 혼란스럽게 하고 있는 정체가 있습니다 크기는 목성 거대하고 실제로 가스 구름으로 이루어진 가스형 성인데 그 별에서 떨어진 거리만 보면 마치 수처럼 금성처럼 너무나 별에 바짝 붙어 있는 거죠 천문학에서 이러한 행성을 뭐라고 부르면 목처럼 거대하지 만 너무나 별에 가까워서 뜨거운 행성이다 해서 뜨거운 목성형 행성 핫 주 피터라는 우리가 행성계의 형성 과정을 설명했던 그간의 이에 대해서 큰 질문을 던지게 되죠 이들이 처음부터 별 곁에 바짝 붙어서 살고 있었던 건지 아니면 우리 목성 행성의 바깥에서 형성되었다가 천천히 행성계 안쪽으로 끌려 들어온 건지 여러 가지 시나리오들 제시가 되고 있는 상황입니다 더 흥미로운 것은 이처럼 다양한 배치 관계를 갖고 있는 여러 외계 행성들과 비교했을 때 우리 태양계 럼 안쪽에 작은 행성 바깥에 큰 행성 깔끔한 배열 상태를 보이는 케이스가 굉장히 드물다는 건데요 지금 보시면 중심 별을 중심에 두고 비슷한 행성들이 쭉 나열되어 있는 첫 번째 케이스가 있고요 두 번째 행성의 크기가 안쪽부터 바깥쪽까지 들쭉날쭉한 굉장히 혼란스러운 케이스가 있죠 그리고 마지막으로 우리 태양계와 정 반대 안쪽에는 가스 덩어리 행성들이 있고 외곽으로 가야 암석 행성들이 있는 그런 케이스들도 있습니다 놀랍게도 우리 행성계 우리 태양계 럼 안쪽에 암석 행성이 있고 바깥에 가스 행성이 있는 이런 예쁜 모습을 보이는 경우는 전체 외계 행성들 중에서 단 1% 불과합니다 즉 우리 태양계는 지금까지의 통계로 봤을 때 굉장히 희한한 케이스 드은 케이스라고 볼 수 있 거 이처럼 우리는 아직까지도 우리가 살고 있는 태양이라는 우리의 고향이 대체 어떻게 지금과 같은 모습을 갖게 된 것인지 그리고 이러한 특별함이 우리 지구에서 생명체가 살 수 있는 그런 우연으로 작용한 것인지 아직 많은 부분을 이해하고 있지 [음악] 못합니다 h