우주먼지에서 태어난 지구의 성장 과정

지금부터 46억 년 전에는 우주운이 수축해 원시태양이 형성되었다. 원시태양의 적도면은 원반 모양의 성운이 에워쌌다. 이 성운에서 고체 미립자가 한데 엉겨 굳어 지구와 행성의 근원이 되었다. 지구는 태양에서 1억 5000만 킬로미터 떨어진 반지름 6370킬로미터의 행성이다. 태양계의 행성은 크게 지구형 행성과 목성형 행성으로 나뉜다. 지구형 행성은 태양에서 가까운 궤도를 도는 고체 행성이며 수성, 금성, 지구, 화성으로 모두 4개이다. 이들 행성 가운데 지구는 물의 행성, 생명체의 생존, 대기 중 대량의 산소 존재, 지구 내부의 변동에서 판구조론의 작용 등 특이한 성질이 있다. 이러한 특이성은 지구가 어떻게 탄생했느냐 하는 문제와 깊은 관련이 있다. 태양계가 어떻게 형성되었는지를 다루는 태양계 형성론 연구는 로켓 탐사와 천체망원경 관측을 통해 데이터가 늘어난 1960년부터 과학적 연구로 간주되었다. 또 하늘에서 내려오는 우주 물질인 운석이나 우주먼지도 태양계의 기원을 밝히는 중요한 수단이 되었다. 이러한 다양한 지식을 종합해 태양계가 어떻게 생겨났는지 탐구했다. 특히 1960년대부터 1970년대에 아폴로 계획으로 달에 있는 암석을 대량으로 지구로 가져오면서 태양계의 역사를 물질과학적, 지질학적으로 연구하는 분야가 크게 발전했다. 현대의 태양계 형성론은 소련의 행성과학자인 이반 이바노비치 사프로노와 일본의 하야시 주시로를 중심으로 하는 교토 대학 그룹이 각각 독립적으로 발전시켜 뼈대를 이루었다. 대체로 거의 모든 학설은 약 46억 년 전에 거대한 분자운이 중력수축을 시작해, 주위의 가스를 모아 원시태양이 형성된 것에서 출발한다. 그리고 원시태양을 에워싸는 원반 모양의 가스 원반이 생겼다. 가스 원반은 원시태양계 성운이라 일컬어지며, 그 성분은 태양대기와 거의 같고 수소와 헬륨을 주성분으로 하지만, 비휘발성 원소 도 미량 포함돼 있었다. 원시태양을 에워싸는 원반 모양의 성운이 생긴 이유는 태양을 형성한 성간가스가 원반 모양의 가스 구름을 형성하기에 적당한 각운동량을 가지고 있었기 때문이다. 원시태양계 성운의 초기 온도는 원시태양에서 온 복사에 의해 태양 근처에서는 1500도 이상 되었으나, 차츰 냉각되면서 고체 미립자가 응축했다. 고체 미립자는 원시태양계 성군과 함께 회전했으나, 마침내 태양계의 적도면에 침전하여 미립자 층을 형성했다. 이 미립자 층의 밀도가 높아지면서 중력이 불안정해져 지름 10킬로미터 정도 크기의 천체가 되었다. 이 같은 초기 천체를 미행성이라고 한다. 이와 같은 결론은 1973년에 피터 골드라이크와 윌리엄 워드라는 두 천문학자가 이론적인 연구에서 유도한 것이다. 이 이론은 고체 미립자 층의 중력이 커지면 엷은 원반 모양으로 고르게 퍼져 있는 상태보다도 지름 10킬로미터 정도의 덩어리 모양으로 뭉쳐 있는 쪽이 안정성이 있다는 연구에 바탕을 둔다. 지구 근처에서 약 100억 개의 미행성이 생겨났고, 그것이 충돌 및 파괴, 합체 및 성장을 되풀이해 현재와 같은 태양계가 생겨났을 것이다. 이 같은 미행성설이 오늘날에도 받아들여지는 까닭은 이 설로 현재 태양계의 대국적인 성질을 설명할 수 있기 때문이다. 먼저 태양과 여덟 개의 행성은 반시계 방향으로 돌며, 회전 각운동량의 99%는 태양의 자전운동에 귀속돼 있다. 이러한 회전운동은 원시태양계의 성운의 각운동량을 물려받은 것이다. 화성과 목성 사이에 있는 많은 소행성은 충돌 및 합체하여 커지지 않은 미행성의 흔적이다. 또 달, 수성, 화성 표면에 보이는 엄청난 수의 충돌 구조는 태양계 형성기에 격심한 충돌 현상이 있었음을 시사한다. 또 행성 회전축의 기울기 각이나 자전 속도 등도 이러한 미행성의 집적 과정을 반영한 것이다. 태양계 형성론 연구에서는 원시태양의 초기 상태를 가정해 물리화학적 법칙성을 토대로 태양계가 시간이 지남에 따라 어떻게 발전했는지를 이론이나 컴퓨터 시뮬레이션을 바탕으로 조사한다. 이를 통해 얻은 결과를 다양한 관측 데이터와 대조하여 모델의 타당성을 검증한다. 여러 행성과 위성을 탐사기로 탐사할 뿐 아니라 운석이나 행성 표면 물질 연구, 더 나아가 최근에는 태양계 이외의 천체에 존재하는 행성계 관측도 동시에 진행한다. 그러나 앞어 말한 태양계 형성론의 표준 모델로 설명할 수 없는 문제가 여전히 남아 있는 것이 현실이다. 원시지구가 되는 미행성은 미행성 집단 가운데 가장 큰 것으로, 강한 중력으로 주변의 미행성을 끌어모았다. 미행성의 집적으로 커간 원시지구의 내부는 성장하면서 변화했다. 크기가 작은 단계에서는 지구 내부는 아직 분화되지 않았으나, 반지름이 2000킬로미터 정도가 되면서 충돌에 의한 휘발성 가스가 지구 내부에서 방출되었다. 그것이 원시대기를 형성하고 지구를 감싸게 된다. 이어 충돌로 방출된 열에너지에 의한 가열과 원시대기의 보온 효과에 의해 지표의 온도가 올라가고 암석이 녹아 마그마의 바다가 형성된다. 거기에 포함된 금속 철분은 마그마 바다의 바닥에 가라앉아 공 모양의 껍데기가 된다. 그리고 이 금속 철로 이루어진 층은 서서히 미분화 성분인 중심과 바뀌어, 금속 핵과 규산염 맨틀로 분화됐다. 원시지구의 내부가 성장하면서 어떤 진화 과정을 거치는지는 성장 단계의 지구 크기와 미행성의 충돌 빈도에 의해 정해진다. 즉 미행성의 충돌 속도는 미행성끼리의 상대속도와 원시지구의 중력권으로 끌어당겨질 때 획득하는 탈출속도를 더해 결정한다. 미행성끼리의 상대속도는 두 천체가 어떤 궤도를 돌고 있는지에 따라 정해지므로, 궤도의 교란이 충돌 속도를 결정하는 요인디 된다. 궤도 교란은 미행성의 중력이 서로 영향을 미쳐 생기므로 미행성의 크기가 클수록 교란이 커지고, 충돌 속도도 커진다. 이것에 원시지구의 중력권으로 끌어당겨지는 탈출 속도를 더해 큰 미행성일수록 심한 충돌을 받는다. 그래서 원시지구가 커지면 커질수록 충돌 속도는 커지고, 충돌하는 천체와 원시지구의 충돌점은 충격파에 의해 압축돼 고온, 고압 상태가 된다. 또 충격파로 인해 에너지가 방출될 때 큰 뒤틀림을 받아 충돌점 근처의 암석은 물리적으로 파괴된다. 이러한 물질은 충돌점에서 퍼지는 크레이터에서 방출되어 행성 표면에 널리 흩어진다. 그리고 고온 고압이 된 물질에서 휘발성 물질의 가스가 나오면서 원시대기를 만들고, 이것이 원시지구의 표면을 덮게 된다.