태양의 항성 폭발이 혜성의 접근으로 유도된 경우
혜성의 접근으로 유도된 태양의 항성 폭발
2004년 12월 23일
프레드릭 드로슈는 다음 웹사이트를 알려주었다.
http://www.jmccanneyscience.com
이 사이트는 지姆 맥캔니가 운영하는 것으로, 태양 근처를 지나가는 혜성의 영상을 담은 흥미로운 영상 자료를 제공한다. 이 영상은 코로나그래프를 이용해 촬영되었으며, 코로나그래프는 태양의 이미지를 막는 디스크를 막대 끝에 고정한 간단한 장치이다. 태양의 이미지가 가려지면 태양의 광구 구조를 관측할 수 있다. 혜성은 태양과 비교할 때 매우 미약한 질량을 가진다. 하일리 혜성의 크기는 산 정도이며, 질량도 그보다 작다. 따라서 중력이나 조석 효과는 거의 무시할 수 있다. 그러나 혜성이 태양에 가까워지면서 매우 강한 태양풍을 통과하게 된다. 이 과정에서 혜성은 상당한 전하를 띠게 될 수 있다. 영상에서는 혜성이 태양에 매우 가까워질 무렵, 매우 강력한 태양 폭발이 발생하는 장면을 볼 수 있다. 이 폭발의 촉발 요인이 전자기적 현상일 가능성도 있다. 아래는 영상에서 캡처한 몇 장의 이미지이다.
현상이 발생하기 직전
태양 폭발이 매우 빠르게 발생하는 순간
폭발이 완료되기 전
혜성이 멀어지는 모습
이 경우는 태양의 폭발이 유도된 경우이다. 이러한 폭발은 지구의 기후에 영향을 미친다는 것은 잘 알려져 있다. 조석 효과로 인해 파편화된 물체의 잔해가 일정량 모여 태양에 다가와, 일시적이지만 극도로 강력하거나 심지어 해로운 활동을 유도할 가능성도 있다. 이러한 현상에 대해 우리는 아직 충분히 이해하지 못하고 있으며, 행성과 유영하는 천체 사이의 전자기적 상호작용에 대해서도 평가가 부족하다. 지구의 고자기학적 연구를 통해 지구 자기장의 기하학적 구조가 극심하게 변동했음을 알 수 있다. 이러한 현상의 원인은 무엇일까? 우선 기억해야 할 점은, 지구 자기장의 기원은 여전히 명확하지 않다는 것이다. 독자들은 아마도 '마그네토 효과'라는 말을 자주 들어봤을 것이다. 그러나 이는 여전히 단지 말일 뿐이다. 몇 년 전 마르세유에서 한 천체물리학자가 이와 같은 주제에 대해 강연을 했을 때, 반세기 동안 이론가들이 아무런 진전도 이루지 못했다는 것이 분명해졌다. 지구가 왜 자기장을 갖게 되었는지 모른다면, 그 자기장을 역전시키는 현상은 어떻게 상상할 수 있을까?
개인적으로 나는 태양계를 구성하는 천체들에 대해 거의 완전히 이해하지 못하고 있다고 생각한다. 우리는 궤도에서 조용히 떠 있는 행성과 위성에 대한 데이터는 있지만, 혼란을 일으킬 수 있는 유영하는 천체들에 대해서는 거의 알지 못한다. J.M. 수리오의 연구를 통해 알고 있는 것은, 태양계가 어떤 방향으로 향해 가는지이다. 즉, 에너지 손실이 최소화된 안정된 상태로 향하고 있으며, 그 과정에서 황금비(φ)가 등장한다. 이 안정된 상태에서는 행성들이 모두 같은 평면, 즉 황도면에 위치하게 되고, 궤도는 원형으로 변하며, 행성과 위성의 자전축도 일치하게 된다. 이 과정을 이끄는 것은 조석 효과이며, 이는 에너지를 소산시키는 현상이지만, 계산과 모델링이 매우 어렵다. 컴퓨터를 활용해 태양계를 분석한 연구에서는 행성과 기타 천체들을 밀도가 일정한 구체로 간주했다. 그 결과, '혼돈 현상'이 행성의 자전축을 뒤집을 수 있다고 주장했다. 또한, 자전축이 예측 불가능하게 기울어질 수 있으므로, 위성 없이 자전축이 안정되지 않은 행성에서는 생명이 존재할 수 없다고 주장하기도 했다.
나는 수리오가 말하는 것에 동의한다. 이 접근법은 '에너지 소산 현상'을 고려하지 않았기 때문에 타당하지 않다. 여기서 말하는 '에너지 소산 현상'이란 무엇을 의미하는가? 우선, 이론적으로 에너지 소산이 없는 이중성 시스템을 예로 들어보자. 바로 플루토-카론 시스템이다. 이 둘은 공통 질량 중심을 중심으로 서로를 바라보며 '정지 상태'로 공전한다고 여겨진다. 각각의 천체는 상대방을 향해 긴축된 타원체 형태로 변형된다.
그러나 질량 중심을 중심으로 공전하는 천체들이 자체 회전 운동을 동시에 가질 경우, 그 표면뿐 아니라 전체 질량에 걸쳐 '밀도 파동'이 생긴다. 이는 약간 모호한 개념이지만, 지구의 표면은 달의 중력으로 인해 약 1미터 높이의 파동이 생기며, 하루에 한 번 지구를 둘러싼다. 지구는 항상 달의 영향으로 긴 타원체 형태를 유지한다. 만약 달이 지구로부터 4만 킬로미터 떨어져 있으면, 지구와 동기화된 궤도를 공전하게 되어 파동은 정지 상태가 되고, 에너지 소산 현상은 발생하지 않는다. 그러나 현실은 그렇지 않다. 달은 지구를 28일에 한 번 공전하지만, 지구는 그보다 28배 더 빠르게 자전한다. 따라서 지구의 파동은 달과 함께 움직이게 되며, 이로 인해 지구는 약간의 전기적 이중극을 형성하게 된다. 이는 말하자면, 말을 타는 말장이가 말의 줄을 당겨서 빨리 걷게 하는 것과 유사하다. 지구는 에너지를 달에게 전달하며, 달은 매년 약 4cm씩 멀어지고 있다. 반대로 달은 지구의 자전 속도를 느리게 한다. 과거에는 하루가 지금보다 훨씬 짧았을 것이다.
이러한 밀도 파동(지구를 24시간에 한 번씩 스쳐가는 파동)의 상대적 이동은 혼합을 유도하며, 결국 열을 발생시키고, 복사 에너지로 소산된다.
이 두 천체는 서로 상호작용한다. 현재 지구는 '리브레이션'이라 불리는 약간의 진동 운동을 하고 있으며, 이로 인해 지구가 보이는 표면은 50%가 아니라 59%에 이른다. 과거에는 지구가 자체 회전을 하지 않았을 수도 있다. 만약 지구가 지구와의 충돌로 인해 탄생했다면, 초기에는 마그마가 있었을 것이며, 적어도 유동성이 더 컸을 가능성이 있다. 지구-달 시스템의 진화는 아직 모델링되지 않았다. 최근에야, 지구와 소행성 크기의 천체가 충돌하여 달이 형성되었다는 가설이 다시 주목받고 있다. 달의 질량 분포는 완전한 구형 대칭을 보이지 않으며, 무게 중심이 비대칭이다. 이는 달이 형성 당시 상대적으로 유동적인 천체였다는 가설과 부합한다. 따라서 밀도가 높은 물질들이 중심으로 이동했고, 지구를 향한 쪽으로도 집중되었을 가능성이 있다. 시간이 지나면서 달의 마그마는 냉각되어 고체화되었으며, 이는 달의 지진 활동이 관측되지 않는다는 점에서 확인된다.
태양계로 돌아와 보자. 아이오(이오)는 목성 근처를 매우 가까이 공전하며, 자체 회전도 한다. 목성은 아이오의 형태를 약간 타원형으로 만든다(항상 긴 타원체 형태). 아이오의 자전은 천체 내부를 혼합시키며, 이로 인해 에너지 소산 현상이 즉각적으로 나타난다. 이로 인해 아이오에서는 극심한 화산 활동이 지속된다. 아이오의 마그마는 목성의 지속적인 '혼합'으로 인해 지속적으로 에너지를 공급받으며, 냉각되지 않는다(아이오의 자전 주기는 약 1.77일이다). 천문학자들은 아이오의 혼합 현상이 유로파와 가니메데의 존재와도 관련이 있을 것으로 추측한다.
에너지 소산 현상은 시스템이 에너지 교환을 최소화하는 상태로 진화하게 만든다. 만약 태양과 두 개의 행성이 공전하는 시스템이 있다면, 이들은 태양의 유체 물질을 '안테나'처럼 활용하며 서로 상호작용한다. 이들은 태양의 표면을 변형시켜 중력장의 기하학적 구조를 변화시킨다. 시스템은 에너지 교환이 최소가 되는 상태, 즉 주기 비율이 '가장 비공명적인 비율', 더 잘 알려진 이름으로는 '황금비'에 도달할 때까지 진화하게 된다.
여러 행성이 있는 시스템에서는 에너지 소산 현상이 행성들을 원형 궤도로 이끌며, 티투스-보데 법칙(근사치)이 아니라 수리오의 황금비 법칙에 따라 분포된다.
황금비 법칙:
1.9^n
티투스-보데 법칙:
2.4 + (0.4 + 0.3 × 2^n)
아래는 두 법칙을 비교한 그래프이다.
로그 스케일에서의 법칙 비교
그러나 태양계는 정확히 이러한 법칙에 부합하지 않는다. 차이가 존재한다. 태양계에는 소행성대가 있으며, 플루토는 황도면과 상당히 다른 평면을 공전한다. 우라누스의 궤도는 이 평면에 완전히 기울어져 있다. 등등. 이러한 현상은 어디에서 비롯되었으며, 언제부터 시작되었는가? 우리는 전혀 모른다. 마찬가지로, 토성의 고리가 얼마나 오래되었는지 역시 알 수 없다. 다만, 고리들은 토성의 로체 구역 내부에 위치한다는 점은 알려져 있다. 로체 구역은 중력만으로 결합된 물체가 분해되는 영역이다. 토성의 지름은 120,660km이며, 로체 구역의 지름은 2.5 × 10,660 = 300,000km이다. 실제로 1969년 프랑스 천문학자 피에르 구르당이 피크 드 미디 망원경으로 발견한 D 고리는 중심으로부터 141,000km 떨어져 있다. 따라서 이 고리는 궤도가 마모되어 이 영역에 들어온 위성의 잔해일 가능성이 있다. 그러나 언제? 미스터리다. 토성 고리는 1만 년 전에 형성되었을 수도 있고, 수십억 년 전일 수도 있다.
우리의 무지를 인식하는 것이 중요하다. 마찬가지로, 태양계가 어떻게 형성되었는지, 행성형 천체인지 아닌지에 대해서도 우리는 정확히 알지 못한다. 한 단어를 만들어내는 것은 문제를 해결하지 못한다. 10년 전, 피에르 구르당이 나에게 말했다. "너가 옆에서 태양이 별 무리에서 탄생했다고 말하면, 사람들이 너를 싫어할 거야." 당시 주류 이론은 고립된 태양 탄생이었다. 왜? 알 수 없다. 아마도 '일치된 의견' 때문일 것이다. 어느 날 과학 기자 세르주 조드라가 '천문과 우주'에 '태양의 자매들은 어디로 갔을까?'라는 제목의 기사를 발표했다. 오늘날, 태양이 별 무리에서 탄생했다는 것이 주류 의견이 되었다. 그 무리에는 몇 개의 별이 있었으며, 그 질량은 얼마였을까? 정확히 말하기 어렵다. 조드라는 대략 200개 정도라고 추측했다.
이를 바탕으로 상상할 수 있는 것은, 젊은 별 무리에서 형성된 천체들, 즉 프로토-별들 간의 상호작용이 매우 강력했을 수 있다는 점이다. 두 가지 극단적인 메커니즘이 있었다. 하나는 '포식'이고, 다른 하나는 '스윙바이 효과'이다. 포식은 쉽게 상상할 수 있다. 스윙바이 효과는 가벼운 천체들에게 속도를 더해, 무리에서 밖으로 쏘아내는 역할을 한다. 마치 태양계가 작은 잔해들을 우주 공간으로 쏘아내어, 은하간 공간에 흩어지게 했거나, 먼 외곽에 있는 혜성과 소행성들이 있는 지역을 형성한 것과 유사하다. 이 관점에서 볼 때, 무리에서 가장 먼저 떠나는 천체는 가장 가벼운 천체일 것이다. 이는 열역학적 평형 상태로의 추세를 나타낸다. 이러한 프로토 태양계는 기체의 분자처럼 행동한다. 운동 에너지 교환을 통해 속도 분포는 가우스 곡선(종 모양)을 형성하며, 빠른 천체들은 무리에서 빠져나간다. 더하여, 무리가 은하를 중심으로 회전하면서 생기는 전단 효과가 무리를 점차 왜곡시킨다. 마치 회전하는 액체 표면에 떨어진 잉크 방울처럼 말이다.
프로토 태양계 간의 충돌은 가스와 먼지 껍질에 각운동량을 부여하며, 이후 별들이 은하 전역으로 흩어진 후에도 이 각운동량은 보존된다.
우리가 모르는 것은, 이러한 프로토 행성계에서 발생할 수 있었던 강력한 전자기 현상이다. 천체가 먼지 속을 지날 때 전하를 띠게 되었을 것이다. 태양계가 형성되던 시절, 프로토 행성들은 먼지와 분자로 이루어진 구름 속을 항성 폭풍이 우리의 상상을 초월할 정도로 강력한 폭풍이 일어나는 환경 속을 항해했을 것이다.
조드라의 기사에서는, 태양이 탄생한 초기 무리가 질량이 큰 별들을 포함했을 가능성이 있다고 제안했다. 이 별들은 수명이 짧았으며, 우주에서의 '균열'처럼 다른 프로토-별들에게 먼지를 제공하여, 나중에 지구형 행성의 원료가 되었다. 20배 정도의 태양 질량을 가진 별이 폭발할 때, 그 철 핵이 어떻게 되는지 누구도 알 수 없다. 1987A 초신성은 우리 은하에 매우 가까운 마젤란 구름에서 관측된 유일한 초신성이다. 그 잔해는 두 개의 아름다운 연기 고리처럼 보였으며, 천체물리학자들에게 큰 혼란을 안겼다. 즉, 초신성 폭발은 우주로 어떤 물질도 방출할 수 있으며, 철 조각 같은 큰 조각도 포함될 수 있다. 이런 조각 중 하나가 지구의 현재 금속 핵을 형성했을 가능성도 충분히 있다.
거대한 별의 중심에서 지배하는 자기장의 세기는 얼마나 될까? 아마도 매우 강력할 것이다. 펄서는 거대한 별의 핵이 노출된 것으로 여겨지며, 중성자별이 되어 매우 빠르게 자전한다. 이들은 전자기파를 방출한다. 왜? 회전하는 전자기 이중극은 복사 에너지를 방출하기 때문이다. 만약 거대한 별의 철 핵이 중성자별로 변하지 않았다면, 여러 조각으로 나뉘었을 가능성이 있다. 이것이 철질 운석의 기원일까? 지구의 밀도 높은 핵이, 평범한 지구(마그마가 천천히 식고 있던)와 거대한 별의 핵 조각이 충돌한 결과일까? 이러한 조건에서 지구 자기장은 단지 어린 지구가 삼킨 철 조각의 자기 모멘트와 일치할 뿐일지도 모른다. 이 자기 모멘트가 지구의 자전축과 일치할 필요는 없지만, 마그마와 상호작용하면서 두 자전축이 일치하려는 경향이 있었을 것이다.
이 모든 것은 행성학자들에게 많은 '만약'과 연구 과제를 제공한다. 다음으로 상상할 수 있는 것은, 태양계가 때때로 거대한 별의 핵에서 파생된 철 조각들에 의해 침입당했을 가능성이다. 이러한 조각들은 충분히 강한 자기 모멘트를 가질 수 있으며, 지나가는 도중 지구의 자기극을 뒤집을 수 있다. 비록 이 조각들의 질량이 작아 조석 효과는 지구에 거의 영향을 주지 않지만, 자기장 기하학적 구조에 극심한 왜곡을 일으킬 수 있다.
이 영상이 혜성의 미세한 접근으로 인해 태양 폭발이 유도된 장면을 보여주는 것에서, 나는 전자기적 효과가 순수 중력적 효과나 조석 효과보다 더 중요한 역할을 할 수 있다는 시나리오를 떠올린다.
우리는 히파르쿠스가 기원전 2세기에 발견한 '계절의 전진' 운동을 알고 있다. 지구의 자전축은 26,000년 주기로 원뿔을 그리며 회전한다. 이는 일정한 속도로 회전하는 자이로스코프가 하는 일과 같다. 자이로스코프의 축은 원뿔을 그리며 움직인다. 이는 지구의 중력에 의해 축이 수평으로 정렬되려는 경향을 극복하는 방식이다. 자전 속도가 느려지는 자이로스코프는 '톱니'라고 불린다. 톱니의 자전축은 원뿔을 그리지 않고, 축의 끝은 반구 위에 나선형을 그린다. 이 나선은 점차 넓어지다가, 결국 톱니가 지지대에 쓰러진다.
지구는 적도 부풀음이 있다. 이 질량 분포는 지구가 달의 궤