태양계의 절대 지존: 태양의 역사 앞으로 태양의 수명

 

태양계의 절대 지존: 태양의 역사 

 

태양계의 절대자는 말할 것도 없이 태양입니다. 그렇다면 태양이란 어떤 천체인지 알아보도록 하겠습니다. 

가장 먼저 확인해야 할 것은 이 태양계 전체 질량 중에서 태양이 차지하는 비율이 무려 99.87%나 된다는 사실입니다. 여덟 행성 및 수천 개에 이르는 소행성, 성간물질 등 태양 외 천체의 모든 질량을 합해봤자 0.13%에 지나지 않는다니 놀라운 사실입니다. 더욱이 그중에서 목성과 토성이 나머지의 90%를 차지한다는 점을 생각한다면 우리가 사는 지구는 정말 작은 부스러기에 지나지 않습니다. 이처럼 압도적인 비율을 자랑하는 태양의 크기는 얼마나 될까요? 지름이 140만 km로 지구보다 109배나 크다고 합니다. 천문학적 수치는 상상력을 발휘하지 않으면 거의 실감할 수는 없지만 지구에서 달까지의 거리가 38만 km이고 그 4배에 가까운 크기입니다. 부피 차이는 더 심하여 무려 지구의 130만 배가 납니다. 게다가 태양은 태양계에서 유일하게 스스로 빛을 내는 항성으로 태양계의 절대 지존입니다. 

만일 태양이 빛을 내지 않는다면 이 넓은 태양계 안에 인간도 살아갈 수 없을 것이고 지구에 존재하는 거의 모든 에너지, 수력, 풍력까지 태양으로부터 나오지 않는 것이 없다고 봐야할 것입니다. 그렇다면 태양은 과연 언제 어떻게 생겨났는지 알아보겠습니다. 

46억 년 전쯤 정체를 알 수 없는 거대한 원시구름이 우주공간에서 중력으로 서로 이끌리면서 서서히 원운동을 시작했다고 합니다. 태양이 잉태되는 순간으로 수소로 이루어진 이 원시구름은 지름이 무려 32 조 km, 거의 3광년 크기였습니다. 이 거대한 구름 덩어리는 우주공간에 흩어져 있던 성간운이 어떤 초신성의 폭발로 한쪽으로 쏠리면서 뭉쳐진 거라고 알려져 있습니다. 이 거대한 원시구름은 중력으로 뭉쳐지면서 제자리 돌기를 시작했고, 원심력 때문에 얇은 원반 모양으로 변해갔습니다. 또 각운동량 보존의 법칙에 따라 뭉쳐질수록 회전속도는 점점 더 빨라졌으며 그리하여 2천만 년쯤에는 지금의 태양의 크기가 되었다고 합니다. 각운동량은 25.6일마다 한 바퀴 자전하는 태양의 자전운동을 비롯하여 태양계 모든 천체의 운동량으로 아직도 존재하여 태양 자전축을 중심으로 한 평면상의 궤도를 따라 돌고 있는 것입니다. 지금도 현재진행형인 지구의 자전, 공전 역시 원시구름의 제자리돌기 운동에서 나온 것입니다. 그럼 뭉쳐진 원시 수소구름은 어떻게 되었을까요? 결론적을 무수히 반짝이는 그런 별 중 하나가 되었습니다. 원시 수소구름은 먼저 회전원반의 중심부에 엄청난 밀도로 가스가 응축됨에 따라 고온, 고압의 상태가 되는데, 1천만 도의 고온에 이르게 되면 수소 원자핵이 서로 충돌하여 헬륨원자를 만들면서 핵에너지를 방출하는 핵융합 반응이 일어나게 됩니다. 여기서 중심부의 압력이 올라가면서 수축이 멈추어지고 스스로 빛을 냄으로써 하나의 별이 되는것입니다.  그리고 미처 태양에 합류하지 못해 생긴 각각으로 뭉쳐저 행성과 그 밖의 위성이 되어 그것들을 모두 합해야 0.13%라는 것입니다. 

 

앞으로 태양의 수명 

핵융합 반응으로 에너지를 방출하는 태양은 표면온도가 6천 도, 중심은 1,500만 도나 됩니다. 태양을 이루고 있는 물질 성분을 보면, 수소가 74% 헬륨이 25%, 나머지 1%는 산소와 탄소등이 있습니다. 이러한 태양은 현재 초당 약 3.9 X 10J (J: 줄은 에너지단위. 1J은 1N(뉴턴)의 힘으로 물체를 1m만큼 움직이는 동안 필요한 에너지)에 해당하는 에너지를 생산하는데, 이는 핵폭탄 약 1천조 개에 해당하는 에너지입니다.  그리고 태양은 초당 420만 톤의 질량을 잃는데 태양 전체의 질량에 비춰볼 때는 아주 소수에 지나지 않습니다. 하지만 이런 태양도 우리 은하에 있는 2천억 개의 별들 중 비교적 가볍고 조그만 별에 지나지 않습니다. 

태양도 지구처럼 시계 반대반향으로 자전을 합니다. 태양의 자전을 최초로 측정한 사람은 갈릴레이였는데 태양 표면을 가로지르는 검은 점들을 발견하고, 그 점들의 이동과 가장자리에서의 소멸을 발견하여 태양의 자전주기가 25일이라는 결론을 얻었습니다. 현재 알려진 태양의 자전 주기는 적도에서 약 25.6일 극에서는 약 33.5일이라고합니다. 태양은 앞으로 25살을 더 먹으면 수명을 다하게 되지만 태양의 한살은 지구의 2억 년이니까 2억 년에 은하계를 한 바퀴 도는 태양은 지금 20살 남짓의 별이고, 50살쯤 되는 50억 년 후에 별로서의 일생을 마치게 되는 셈입니다. 

태양은 중심부에서 주계열성 단계의 중반부로 접어든 상태로 태양핵은 초당 400만 톤의 수소를 핵융합하여 에너지를 생산하며 이 속도라면 태양은 일생 동안 지구 질량의 100배에 해당하는 물질을 에너지를 바꿀 것입니다.  수명을 다한 별은 차츰 에너지와 질량을 잃고 백색왜성으로 조용히 삶을 마감하는 길과, 격렬하게 폭팔하여 온몸을 우주공간에 흩뿌리면서 장렬하게 생애를 마감하는 길이 있습니다. 후자가 바로 초신성 폭발로 그 은하의 다른 별들의 밝기를 모두 합친 것보다 더 밝게 빛이 납니다. 이때 별의 무거운 원소의 일부가 공간에 흩어져 다음 세대의 별들을 만드는 원료가 됩니다. 태양은 2%정도 이런 무거운 원료를 포함하고 있는데, 이것은 태양이 약 50억 년 전 초신성 폭발의 잔재를 포함한 기체구름으로부터 형성된 제2  또는 제3세대의 별임을 말해주는 증거입니다. 별이 왜성으로 조용히 삶을 마감하는지 아니면 격렬한 초신성 폭발로 산화되는지 하는 조건은 별이 갖고 있는 질량으로 태양보다 1.4배 이하 질량이면 백색왜성 그 이상이면 폭발로 간다는 계산이 있습니다.어쨌든 가벼운 별 축에 속하는 태양은 전자의 길, 즉 적색거성으로서의 길을 밟게 되는데, 앞으로 15억 년 후엔 태양의 핵융합 반응이 더욱 왕성해져 점차 온도가 높아지고 그에 따라 지구 남북극의 얼음이 모두 녹아 해수면의 높이가 수십 미터 올라갈 것으로 보입니다. 50억 년 후에는 연료인 속심의 수소가 거의 동이나 바깥쪽 수소가 타서 전체적으로 팽창하게 되고 밝기는 지금의 500배, 크기는 100배에 이르러 지구의 궤도까지 삼켜버릴 정도가 됩니다. 그리고 표면온도가 내려가 태양은 하나의 적색거성이 되고 지구는 물 한 방울 없는 말라버린 지구가 된다고 합니다. 

적색거성이 된 후 태양이 맞게 되는 최후는 헬륨으로 이루어진 태양의 속심은 중력에 의해 수축되고 그 결과 온도가 무려 1억 도까지 오르게됩니다. 그러면 이번에는 다시 헬륨에 불이 붙어 폭발적으로 타기 시작하면서 태양 가스의 수십 퍼센트를 우주공간으로 날려버리고 이것들이 사방으로 퍼져나가 흩어지면서 태양은 행성산 성운이 될 것입니다. 성운의 고리는 저 멀리 태양계 변두리인 해왕성 궤도에까지 미치게 될 것으로 보입니다. 태양 속심의 헬륨이 모두 소진되어 더 이상 핵융합 반응이 일어나지 않게 되면 더는 중력을 버티지 못하고 안으로 무너져내려 극도로 뜨거운 중심핵으로 응축됩니다. 또 원래의 100분의 1 크기 정도로 줄어들고 수십억 년에 걸쳐 천천히 식으면서 푸르스름한 빛을 내는 고밀도의 별이 되는데 이를 백색왜성이라고 하는 것입니다. 이것 역시 나중에는 빛을 잃고 조그마한 천체로 줄어들어 별의 삶을 마감하게 됩니다. 이것이 태양계의 어머니 별인 태양의 마지막 모습으로 100억 년 전 원시구름에서 시작되었던 태양의 장엄한 역사가 이로써 대단원의 막을 내리게 되는 것입니다. 먼지에서 태어나 찬란한 빛을 뿌리며 살다가 죽어 다시 먼지로 돌아가는 것은 모든 별의 일생이라 할 수 있습니다.