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by 지식인의 서재 김근수 Jul 19. 2024

태양은 왜 홀로일까?

태양은 빅뱅이 있고 약 90억년 후인 약 46억 년 전경에 탄생하였다. 46억 년 전 우리은하 나선형 팔의 변두리에 있던 거대한 분자구름 중 일부가 중력에 의해 뭉치면서 태양계가 형성하기 시작됐다. 거대 분자구름에는 앞 세대의 무거운 별이 죽음에 이르러 초신성 폭발을 일으키며 합성해놓았던 무거운 원소들을 넓은 지역으로 흩어놓는 사건이 일어났고, 초신성의 잔해들이 유입되며 수 광년 크기의 분자구름 조각을 압축시켜 수축이 시작됐다. 처음에 작은 입자들이 점차적으로 뭉쳐져서 운석이나 미행성체(微行星體. planetesimal. 아주 작은 행성)가 형성되었다. 미행성체는 일정하지 않은 궤도를 따라 돌아 충돌이 잦았을 것이다. 그리고 이들이 점차 커짐에 따라 충돌은 더욱 격렬해졌다. 오늘날 우리가 보는 핼리혜성(Halley’ comet) 등 혜성은 태양계형성의 초기에 살아남은 것이며 초기 미행성체의 모습을 연상할 수 있게 해준다. 이렇게 수십억 년 동안 은하계와 별들이 진화했고, 결국 우리의 태양계가 형성되었다. 그러나 이모형은 아직 많은 불확실성이 있고, 연구는 여러 핵심영역에서 지금도 진행 중이다.

분자구름 조각 속의 기체와 먼지는 뭉치면서 자연스럽게 중심에 대해 회전한다. 전체 질량의 99.8%에 육박하는 대부분의 물질은 중심부에 집중되어 별을 만들지만 각운동량 보존 법칙을 따라 0.2% 정도의 일부의 물질은 중심을 지나고 회전축에 수직인 면에 회전하는 원시행성 원반을 형성한다. 원시행성 원반 안에서도 물질의 밀도 요동은 중력에 의해 증폭된다. 회전하면서도 물질은 더 많은 곳으로 모여들기를 지속하여 처음에는 작은 덩어리들이 만들어지고, 작은 덩어리들이 서로 충돌하며 병합되어 크기가 10km에 달하는 큰 덩어리인 미행성이 되고, 미행성들의 충돌과 병합으로 거대한 덩어리 하나가 생기면 자신의 궤도 주변의 크고 작은 덩어리들을 모두 끌어 모아 최종적으로 행성과 행성을 공전하는 위성이 만들어진다.

대부분의 별은 두 개 이상 여러 개가 무리지어 있다. 태양은 주변에 다른 별 무리가 없이 홀로 있다. 별은 홀로 만들어지지 않기 때문에 이상하다. 거대한 분자 구름이 수축하면서 그 주변에 수백~수천 개의 별들이 같이 탄생한다. 이것이 성단이다. 그런 별들은 서로 다른 속도를 가지고 은하 전체로 흩어진다. 태양이 생성될 당시 함께 생겨난 수많은 별들이 성단(무리별)의 형태로 수백만 년 동안 존재해왔지만, 시간이 지남에 따라 별들이 폭발하거나 자리를 이동함으로써 태양의 짝별들은 종적을 감추었다.

천문학 용어로 ‘솔라 시블링'(solar sibling)이라고 불리는 태양 형제별 찾기에는 두 가지에 초점이 맞추어진다. 첫째는 태양과 나이가 같아야 한다는 점이고, 둘째는 태양과 화학적 성분이 같아야한다는 점이다. 별은 그것이 태어난 성운과 마찬가지로 거의 수소와 헬륨으로 이루어져 있지만, 약간의 다른 원소들도 포함하고 있는데, 그 비율이 성운마다 다르다. 따라서 같은 성운에서 태어난 별들은 서로 성분이 비슷하다.

태양의 잃어버린 형제로 추정되는 별이 수십 개 발견되었지만 정확히 밝혀지지는 않았다. 태양과 매우 유사한 ‘형제별’로 추정되는 별 하나가 발견되었는데, 헤르쿨레스자리의 ‘HD 162826’이라는 이름의 이 별이 그 주인공이다. 이 별은 태양에서 110광년 떨어진 곳에 있으며, 태양보다 15% 더 크지만 어두워서 맨눈으로는 보이지 않는다. 두 가지 요건을 갖춘 이 항성은 당시 태양과 함께 형성된 것으로 보인다. 나이도 태양과 같을 뿐 아니라, 질량, 온도, 밝기, 크기가 거의 같아 숫제 태양의 쌍둥이별처럼 보이기까지 한다.

이 항성과 태양이 형성된 성단은 시간이 지남에 따라 별들이 넓게 흩어지게 하는 산개성단이었던 것으로 추정한다. 이 성단의 별들은 형성되는 동안 행성 원반의 발달을 방해할 정도로 너무 빽빽하게 밀집되어 있지는 않았지만, 가까운 초신성에서 생성된 방사성 원소가 행성에 뿌려지는 것을 방지할 만큼 멀리 떨어져 있지는 않았다. 우리 은하에서 산개성단은 1100개 이상 발견되었다(2024). 산개성단(open cluster)은 같은 분자구름에서 태어났으며 나이가 거의 같은 수천 개의 항성이 모여 있다. 만 개 정도의 산개성단이 우리 은하 원반을 떠돌고 있을 것이라 추정한다.

태양이 쌍성이었다는 가설이 있다. 과거에는 오르트 구름의 천체와 산개된 원반 천체 간 비율을 산출하는 데 어려움이 있었지만 쌍성을 가정하면 더 정교하고 개선된 설명이 가능하다. 해왕성 바깥에 아직 발견되지 않은 제9행성이 존재한다는 가설과 관련해서도, 쌍성 모델은 제9행성과 비슷한 궤도를 가진 더 많은 천체가 있을 수 있는 것으로 예측한다. 사라진 짝별은 별 형성 클러스터를 지나던 별들의 중력으로 태양에서 짝별이 분리됐으며 우리은하 어딘가에 존재할 것이라고 설명한다.

우리 은하의 많은 성단이 같은 곳에서 태어났다는 것이 밝혀졌다. 이들은 수억 년 동안 궤도가 흩어지면서 별개의 성단처럼 된 것이다. 태양계 주변 3000광년 이내에 있는 272개 성단을 분석한 결과 약 60%인 155개 성단은 세 곳에서 탄생했다. 이들이 3억 년 동안 흩어지면서 3000광년 거리에 분포한 것으로 보인다. 그동안 각각의 성단에서는 200개 정도 초신성 폭발이 발생한 것으로 보인다. 초신성 폭발로 성간 물질을 바깥으로 밀어냈고, 주변에 성간 물질의 밀도가 비교적 적게 관측되는 커다란 거품 영역을 만들었다. 전파 관측을 통해 이 텅 빈 로컬 버블을 확인할 수 있다. 우리가 사는 태양도 어쩌면 다른 별과 함께 탄생했을 가능성이 크다.

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인간과 세계를 이해하고

무지, 오류와 과오를 잊지 않고

고통을 이해하고 줄이고

인간을 사랑하며 살고자

읽고 배우고 씁니다.

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07496-9

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