우주와 인간(2)
우주를 구성하는 천체들에는 무엇이 있을까?!
01. 우주의 구성 요소
도시를 떠나 도착한 여행지에서 밤하늘을 올려다보면, 빨려 들어갈 것 같은 칠흑 같은 배경에 뿌려진 쏟아질 것 같은 별들을 볼 수 있습니다. 앞서 살펴보았듯이, 이러한 칠흑 같이 어두운 밤하늘은 텅 빈 것이 아니라 수많은 물질들과 에너지로 채워져 있습니다. 우주 배경 복사 데이터 분석 결과 및 은하 관측 데이터에 기반할 때, 전체 우주 질량의 약 27%를 차지하는 암흑 물질, 전체 우주 에너지 밀도의 약 68%를 차지하는 암흑 에너지, 그리고 전체 우주의 약 5%를 차지하는 일반 물질이 우주를 구성하는 주요 요소입니다.
이 중, 일반 물질은 우리가 직접 관측할 수 있고 가장 익숙한 대상으로, 별, 행성, 은하, 가스, 먼지 등이 포함됩니다. 특히, 은하와 은하 내 별들은 일반 물질의 많은 부분을 차지하고 있습니다. 허블 우주 망원경과 같은 망원경을 통해 은하와 별의 분포를 관측하고 연구할 수 있는데, 관측에 따르면 우주에는 약 2조 개의 은하가 있습니다. 또한, 은하 사이와 은하 내에는 '성간 가스'와 먼지가 존재합니다. 이들은 별 생성의 원료가 되며, 일반 물질의 상당 부분을 차지합니다.
02. 우주에 존재하는 대표적인 천체들
그런데, 이렇듯 우리가 자연스럽게 사용하고 있는 '별', '행성', '은하'와 같은 것들은 정확히 무엇일까요? 우주에는 다양한 천체들이 존재합니다. 이 중에서는 우리가 익숙하게 보고, 이야기하는 것들도 있고, 낯선 것도 있습니다. 각 천체는 고유한 특징을 갖고, 세부 유형으로 분류됩니다. 주요 천체들의 종류와 특징을 간단히 살펴보면 다음과 같습니다.
1) 항성: 생성과 소멸을 중심으로
항성은 핵융합 반응을 통해 빛과 에너지를 방출하는 천체로, 스스로 빛을 냅니다. 우리가 일반적으로 '별'이라고 부르는 대상이 항성입니다. 항성은 다양한 색깔과 밝기를 가지며, 그 크기와 온도, 밝기에 따라 분류됩니다. 항성이 내는 빛의 스펙트럼은 그 항성의 화학 조성과 온도를 나타냅니다.
항성은 성간 물질(주로 수소와 헬륨으로 구성된 가스와 먼지)에서 형성됩니다. 성운 내의 어떤 부분이 외부 압력보다 중력이 더 강해지면 '중력 붕괴'가 시작됩니다. 중력 붕괴는 중력이 물질을 중심으로 끌어당겨 밀집시키는 현상을 말하는데, 이는 성운 내부의 밀도 변화, 외부 충격파, 초신성 폭발 등 여러 원인에 의해 촉발될 수 있습니다. 중력 붕괴가 일어나 성간 물질들이 서로 끌어당겨 밀집되기 시작하면, 물질들이 중심으로 모이면서 온도가 상승합니다. 이러한 과정이 계속되면서 중심부에 '원시별'이 형성되고, 중력 에너지가 열 에너지로 변환됩니다. 이후, 중심 온도가 충분히 높아지면 수소 핵융합이 시작됩니다. 수소 핵융합을 진행하면 수소가 헬륨으로 변하는 과정에서 에너지가 방출되어 항성을 밝게 만듭니다. 이와 같은 과정에 있는 항성을 '주계열성'이라고 합니다. 항성은 주계열성 단계에서 대부분의 시간을 보내며, 크기와 질량에 따라 수백만 년에서 수십억 년 동안 지속됩니다. 우리가 매일 아침 보는 태양이 바로 대표적인 주계열성입니다.
허블 우주 망원경이 촬영한 고리 성운(Ring Nebula). 대표적인 행성상 성운이다.그런데, 항성은 영원히 존재하는 것이 아닙니다. 핵융합을 진행하면 점차 핵연료를 소진하게 되고, 어느 순간 소멸의 단계에 들어서게 됩니다. 항성의 소멸 과정은 그 항성의 질량에 따라 달라집니다. 중소형 항성의 경우, 수소 연료가 소진되면 항성의 중심부는 수축하고, 외부는 팽창하여 '적색 거성'이 됩니다. 중심부가 수축함에 따라 중심부 온도가 다시 충분히 올라가면 헬륨 핵융합이 시작됩니다. 중심부 핵융합이 전개되면 외부 물질이 방출되어 '행성상 성운'을 형성하고, 항성 외부층을 더욱 팽창시킵니다. 이후, 이와 같은 중력 붕괴와 팽창이 반복됩니다. 중소형 항성이 최후에 행성상 성운을 방출하면 중심부에 남은 잔해는 '백성 왜성'으로 붕괴한 후 천천히 식어갑니다.
허블 우주 망원경이 촬영한 시리우스 A와 B. 중앙에 크고 밝은 별이 주계열성인 시리우스 A. 왼쪽 아래의 작은 별이 백색왜성인 시리우스 B.
초신성 폭발을 묘사한 상상도.(매일경제, 하버드-스미스소니언 천체물리학센터)한편, 중대형 항성 이상의 큰 질량을 갖는 항성의 경우, 적색 초거성이 됩니다. 핵융합을 거듭하면 점차 더 무거운 원자들로 핵융합을 진행하게 됩니다. 그러다가 철 원자에 도달하면, 더 이상 에너지를 생성할 수 없어 중심부가 붕괴하고 외부층이 폭발하여 초신성(Supernova) 폭발이 일어납니다. 폭발 후 남은 핵은 매우 강하게 수축하여 중성자별이나 블랙홀이 형성됩니다. 이때, 중성자별은 질량이 큰 항성이 초신성 폭발한 후 남은, 매우 밀도가 높은 천체를 말합니다. 블랙홀은 질량이 매우 큰 항성이 초신성 폭발한 후 남은 질량이 충분히 클 때, 중력 붕괴가 계속되어 형성된, 중력장이 매우 강한 천체를 말합니다. 블랙홀은 중력이 매우 강해 빛조차 탈출할 수 없는 경계인 '사건의 지평선'을 가집니다. 이론적으로 블랙홀은 호킹 복사(Hawking radiation)를 통해 아주 천천히 질량을 잃으며, 결국 소멸할 수 있습니다.
2) 행성과 소행성: 생애 및 특징
행성은 항성 주위를 도는 천체로, 스스로 빛을 내지 않습니다. 행성은 둥근 형태를 가지고, 그 궤도 주위에 다른 큰 천체가 없는 상태를 유지합니다. 행성의 형성은 별, 즉 항성의 형성과 함께 시작됩니다. 별이 형성될 때 주변에 '원시 행성계 원반'이 함께 형성됩니다. 원시 행성계 원반은 주로 별 형성 과정 중 남은 가스와 먼지로 이루어집니다. 시간이 지나면서 이 원반의 입자들이 충돌하고 뭉쳐서 점차 더 큰 덩어리인 '미행성체'를 형성합니다. 미행성체들은 더 많은 충돌과 중력적 상호작용을 통해 '원시 행성'으로 성장하게 됩니다. 이러한 과정은 약 수백만 년 동안 진행되며, 이 단계에서 원시 행성의 크기는 수백 킬로미터까지 커질 수 있다고 알려져 있습니다.
태양계 행성들. 좌측부터 차례로 있는 수성, 금성, 지구, 화성은 암석 행성에 해당된다. 이후 있는 목성, 토성, 천왕성, 해왕성은 가스 행성에 포함된다.행성이 만들어지는 마지막 단계에서 행성은 두 가지 주요 유형으로 분화됩니다. 원시 행성들이 서로 충돌하고 합쳐져 더 큰 행성으로 성장하는 과정에서, 중심부 근처에서는 고체 물질들이 모여 '암석 행성'을 형성하고, 더 먼 거리에서는 가스들이 모여 '가스 행성'을 형성하게 되는 것입니다. 이때 암석 행성은 지구, 화성, 금성, 수성처럼 고체 표면을 가진 행성을 말하고, 지구형 행성이라고도 부릅니다. 가스 행성은 목성, 토성, 천왕성, 해왕성 등, 주로 가스로 이루어진 거대한 행성을 말하며, 목성형 행성이라고도 합니다. 이때, 가스 행성을 세분화하면 다시 목성과 토성, 천왕성과 해왕성으로 구분할 수 있습니다. 후자는 주로 얼음과 가스로 이루어진 행성으로서, '얼음형 행성'으로 구별됩니다. 원시 행성 충돌 지역 외곽에서 암석 물질이 축적되어 핵이 형성되면, 모여있던 주변의 가스를 급속하게 흡수하며 가스 행성이 형성된다고 알려져 있습니다.
행성은 수십억 년에 걸쳐 서서히 변화를 겪으며, 다양한 운명을 맞이합니다. 예를 들어, 태양과 같은 항성이 적색 거성 단계에 접어들면 부피가 크게 팽창하여 근처의 행성을 삼켜버릴 수 있습니다. 또한, 항성이 초신성 폭발을 일으킬 경우 근처의 행성은 그 충격파에 의해 파괴되거나 궤도에서 이탈할 수 있습니다. 뿐만 아니라 행성들은 다른 천체와의 충돌이나 중력적 상호작용에 의해서도 소멸하기도 합니다. 행성이 다른 행성과 충돌하거나, 큰 천체의 중력에 영향을 받게 되면 파괴되거나 기존의 궤도에서 이탈 가능합니다. 이때, 이러한 과정에서 행성이 소멸되더라도 그 구성 물질은 우주에 남아 새로운 별이나 행성의 형성에 재사용될 수 있습니다. 대표적으로, 초신성 폭발로 인해 방출된 물질은 성간 물질로 돌아가 새로운 별과 행성을 형성하는 데 기여할 수 있습니다.
한편, 행성과 유사하게 항성을 중심으로 공전하지만, 행성보다 크기가 비교적 작은 천체를 소행성이라고 합니다. 소행성은 화성과 목성 사이에 있는 '소행성대'에 주로 위치합니다. 이들은 고체 표면을 가지고, 크기와 형태가 매우 다양합니다. 대부분 불규칙한 형태를 가지고 있으며, 직경 역시 수미터에서 수백 킬로미터 사이로 다양합니다. 소행성은 주로 암석과 금속으로 이루어져 있으며, 일부는 얼음을 포함하고 있습니다.
대표적인 소행성 및 왜행성인 세레스(Ceres), 베스타(Vesta), 에로스(Eros). 다양한 크기와 모양을 갖고 있음을 확인할 수 있다.대표적인 소행성으로는 세레스(Ceres), 베스타(Vesta), 에로스(Eros) 등이 있습니다. 세레스는 소행성대에서 가장 큰 천체이며, 정확히는 왜행성으로 분류됩니다. 이때 왜행성이란, 행성과 유사하지만 몇 가지 주요한 차이점을 갖는 천체입니다. 행성과 생애 및 운동의 특징을 공유하지만, 소행성과 행성 사이의 크기를 가져 공전 궤도 근처에 있는 다른 천체들을 중력으로 청소하지 못하는 경우, 왜행성이라고 부릅니다. 가장 대표적인 왜행성이 바로 명왕성입니다. 이와 함께, 베스타는 소행성대에서 두 번째로 큰 소행성으로, 맨틀과 핵을 가진 것으로 알려져 있습니다. 마지막으로 에로스는 근지구 소행성으로, NASA의 NEAR Shoemaker 탐사선이 2001년 착륙한 소행성이기도 합니다.
행성과 마찬가지로, 소행성 역시 항성 형성 초기의 원시 행성계 원반을 기반으로 형성됩니다. 원시 행성계 원반에서 남은 잔해 중, 행성으로 성장하지 못한 조각들이 소행성이 되는 것이죠. 소행성은 소멸 원인 역시 행성과 유사한 부분이 많습니다. 소행성은 행성이나 다른 소행성과 충돌하여 파괴될 수 있으며, 다른 천체의 중력에 의해서도 궤도가 바뀌거나 파괴될 수 있습니다. 또한, 태양에 가까이 접근하는 경우에 태양풍의 영향으로 인해 파괴되거나 분해되기도 합니다.
3) 인공위성과 자연 위성
이러한 행성과 소행성의 주위를 도는 천체가 또 있는데, 바로 위성입니다. 자연적으로 형성된 천체를 자연 위성이라고 하며, 인공적으로 궤도에 진입시킨 천체를 인공위성이라고 합니다. 우리에게 익숙한 이 인공위성은 위성 TV, 전화, 인터넷 등 통신에 활용되고, GPS(Global Positioning System)로 차량 내비게이션, 항공기 및 선박 항법, 스마트폰 위치추적 등에 사용됩니다. 또한, 지구의 기후, 환경, 자원, 자연재해 등을 관측하거나, 우주와 천체를 연구하는 데에도 중요하게 활용됩니다.
태양계의 위성들. 달, 가니메데, 타이탄, 포보스 등 대표적인 위성들의 모습과 크기를 확인할 수 있다.(한국천문연구원 천문우주지식정보)한편, 자연 위성은 공전 궤도의 중심인 행성 또는 소행성, 즉 모천체에 조석력을 발생시키며, 이는 조수 간만 등 여러 현상을 불러옵니다. 대표적인 위성에는 달, 가니메데, 타이탄, 포보스 등이 있습니다. 우리가 모두 알다시피, 달은 지구의 유일한 자연 위성으로, 인간이 탐사한 가장 가까운 천체입니다. 가니메데는 목성의 위성으로, 태양계에서 가장 큰 위성입니다. 타이탄은 토성의 위성이며 두꺼운 대기와 메탄 바다를 갖고 있는 것이 특징입니다. 포보스는 화성의 위성인데, 상대적으로 작은 크기의 위성입니다.
자연 위성의 생성을 설명하는 여러 이론이 존재합니다. 우선, 위성은 모천체의 중력에 이해 포획된 천체일 수 있습니다. 화성의 위성인 포보스와 데이모스가 여기에 해당되는데, 이들은 소행성대에서 중력에 이해 포획된 것으로 여겨집니다. 또한, 모천체와 함께 원시 행성계 원반에서 위성이 형성된 경우가 있습니다. 목성의 4개 위성 등이 이에 해당한다고 알려졌습니다. 위성이 소멸하는 원인 또한 다양합니다. 위성은 모천체나 다른 천체와 충돌해 파괴될 수 있고, 모천체의 조석력에 의해 내부 응력과 변형이 발생하여 붕괴될 수도 있습니다. 또한, 위성이 모천체의 중력권을 이탈하는 경우 공전 궤도에서 벗어나 우주로 탈출하는 것도 가능합니다.
4) 혜성의 특징과 생애
혜성은 주로 얼음, 먼지, 작은 암석으로 이루어진 천체로, 태양 가까이 접근할 때 열에 의해 휘발성 물질이 기화되어 형성되는 빛나는 꼬리가 특징적입니다. 혜성의 중심부는 얼음과 암석으로 이루어져 있는데, 이를 '핵'이라 합니다. 핵은 몇 킬로미터에서 수십 킬로미터 가량의 직경을 가집니다. 혜성이 태양에 접근하면 핵 주위에 수십만 킬로미터에 이를 수 있는 기체와 먼지 구름이 형성되는데, 이를 '코마(Coma)'라 합니다. 이후, 태양풍과 복사압의 영향으로 코마에서 분출된 물질이 형성하는 긴 구조가 '꼬리'입니다. 이때, 태양풍에 의해 형성되며, 태양 반대 방향으로 뻗어 있는 꼬리를 '이온 꼬리'라 하고, 더 무거운 먼지가 형성하며 태양풍의 영향을 덜 받는 꼬리를 '먼지 꼬리'라고 부릅니다.
이러한 구조를 갖는 혜성은 주로 태양계 외곽의 카이퍼 벨트나 오르트 구름에서 기원한 후, 중력의 영향을 받아 태양계 내부로 이동합니다. 이때, 카이퍼 벨트는 해왕성 궤도 너머에 위치한 소천체들의 집합으로, 공전 주기가 200년 이하인 단주기 혜성의 기원으로 알려져 있습니다. 오르트 구름은 태양계 외곽에 위치한 구형의 얼음 천체들로 구성된 영역으로, 공전 주기가 200년 이상인 장주기 혜성의 출처로 여겨지고 있습니다. 혜성은 이후 태양에 반복적으로 접근하면서 휘발성 물질이 소모되어 점차 작아지고, 결국 혜성의 활동이 중단됩니다. 뿐만 아니라, 혜성은 다른 천체와 충돌하여 파괴될 수 있으며, 천체의 중력에 의해 조각이 나 파괴될 수도 있습니다.
핼리 혜성의 관측 사진.(Timeout news)가장 대표적인 혜성은 역시 핼리 혜성(Halley's Comet)일 것입니다. 사실, 핼리 혜성보다 밝은 혜성은 다수 존재하였습니다. 예를 들어, 1997년 관측되었던 헤일-밥 혜성(Comet Hale-Bopp)은 매우 밝게 관찰되었고, 이는 20세기를 통틀어 가장 밝고 관측이 많이 이루어진 혜성이었습니다. 하지만 헤일-밥 혜성은 장주기 혜성으로 주기가 약 2500년입니다. 즉, 다시 관측하는 것이 불가능하다는 것이죠. 반면, 핼리 혜성은 단주기 혜성으로 약 76년의 주기로 태양을 공전합니다. 1986년에 마지막으로 관측되었으며, 이는 지상에서 맨눈으로 관측 가능한 유일한 단주기 혜성이기도 합니다.
5) 은하의 특징과 생성, 변형
지금까지 살펴본 여러 가지 천체들과 가스, 먼지, 암흑 물질 등이 중력에 의해 결합되어 형성된 거대한 우주 구조체를 은하라고 합니다. 은하의 크기는 수천 광년에서 수십만 광년까지 다양하며, 우리은하는 약 10만 광년의 지름을 지닙니다. 은하는 형태 역시 다양한데, 우선 나선팔이 중심부에서 나선형으로 뻗어나가는 형태의 은하를 나선은하라고 합니다. 우리은하와 안드로메다 은하가 이에 속합니다. 다음으로 나선팔이 없고 구형에서 타원형까지 다양한 형태인 은하를 타원은하라 부릅니다. 타원은하는 별이 상대적으로 밀집되어 있는 것이 특징입니다. 한편, 은하는 특정한 형태가 없을 수도 있는데, 이를 불규칙은하라고 합니다.
이처럼 다양한 은하들은 빅뱅 이후 초기 우주의 밀도 요동으로 인해 생성된 원시 은하들로부터 형성되었습니다. 빅뱅 이후, 초기 우주의 밀도 요동으로 인해 원시 가스 구름이 중력에 의해 수축하며 별을 형성하는 과정에 대해 앞서 알아보았는데요, 이러한 과정이 다수 일어나 별들의 집단인 '성단'이 형성됩니다. 이들은 작은 원시 은하를 이루고, 작은 원시 은하들은 중력적으로 상호 작용하며 병합하여 더 큰 은하를 형성합니다. 은하는 소멸하기보다 이와 같은 상호작용을 통해 형태와 구조가 변화하는데요, 이러한 충돌 및 병합은 현재에도 진행되고 있습니다. 실제로, 서로 약 250만 광년 떨어져 있는 우리은하와 안드로메다 은하도 미래에 충돌하여 병합될 것으로 예상됩니다.
지금까지 우주와 여러 가지 천체에 대해 정리해보았습니다. 이러한 우주에 대한 이해를 바탕으로, 다음 편에서는 '인간'으로 초점을 옮기려고 합니다. 우주를 둘러싼 사람들의 생각과 인식, 이와 관련된 사건 및 사람들 사이의 관계 등에 대해 폭넓게 다뤄보고자 합니다.
