목성(Jupiter).
지표면에서 똑바로 올라가면 100km정도에서 대기(atmosphere)의 끝에 도달하게 되고, 우주의 암흑을 보게 됩니다. 비교적 가까운 거리입니다. 우주라는 관점에서 보면 거리의 척도는 이해의 범위를 넘어섭니다. 가장 가까운 금성(Venus)까지의 거리는 4천만 km입니다. 목성은 6억5천만 km의 거리에 있습니다. 현재 가장 빠른 우주선으로도 목성까지는 1년 정도가 걸립니다.
그래서 그렇게 먼 거리에 있는 행성이 우리 지구에게 어떤 영향을 미칠 수 있지? 라는 생각이 듭니다. 상상속의 일처럼만 느껴지죠. 당장 우리 일상의 사소한 문제들로 관심을 돌려본다면 실제로 목성의 영향은 거의 없을 것 같습니다.
하지만 만일 더 심오한 질문 - 왜 지구는 현재의 지구와 같은걸까? 지구엔 왜 생명이 있을까? 어떻게 우리가 존재하는 걸까? - 들을 한다면 목성이 상당히 중요하다는 것을 알 수 있습니다.
초기의 젊은 목성은 광란의 시기를 보냅니다. 거대한 행성은 태양계 전체에 걸친 파괴의 운행을 시작합니다. 이로 인해 태양계 행성들의 운명을 결정짓게 됩니다. 당연히 지구도 여기에 포함됩니다.
목성은 행성들의 대부(Godfather)입니다.
지구의 남겨진 상처의 흔적으로부터 목성의 영향력을 엿볼 수 있습니다.
아리조나(Arizona)에 있는 유명한 배린저 운석구(Barringer Meteor Crater)입니다. 직경은 1km정도이고, 깊이는 170미터정도입니다. 생긴 진 5만 년 정도 됩니다. 50미터 정도 직경의 운석이 초속 13km로 충돌하면서 생겨났습니다. 대기를 통과하고 불과 7초 정도만에 지상에 충돌했다는 이야기죠. TNT 수십 메가톤급의 위력입니다.(참고로 히로시마 원폭이 16킬로톤, 메가는 킬로의 1,000배)
여기에 충돌한 운석은 소행성 벨트(Asteroid belt, 화성과 목성 사이에 소행성들이 모여 있는 지역)로부터 날아온 것으로 추측됩니다.
이곳의 소행성들의 궤도 변화는 주로 목성의 중력에 영향을 받습니다.
목성은 엄청난 크기의 수소와 헬륨의 덩어리입니다. 그 크기는 지구 1,300개 정도가 목성 안에 들어갈 정도입니다. 목성은 다른 모든 태양계 행성들과 그 위성들의 무게를 합친 것보다 2.5배 정도 무겁습니다. 그래서 강력한 중력으로 작용합니다. 그로 인해 태양에 이어서 2번째로 태양계 전체에 영향을 줍니다. 이로 인해 단지 소행성의 운석 충돌뿐 아니라 태양계의 역사를 바꿀만한 영향력을 미쳐왔습니다.
목성이 어떻게 이런 영향력을 갖게 되었는가를 알기 위해서는 태양계 형성 이전으로 돌아가봐야만 합니다.
50억년 전 별(초거성-Supernova-등)의 폭발로 인해 은하계 전체에 걸친 충격파가 발생합니다. 이로 인해 발생한 가스구름과 먼지들로 원시 태양이 형성되기 시작합니다. 더 나아가서 무언가가 생겨나기 시작합니다.
5천만 년 후(원시 태양이 생성된 지) 태양의 원자력 용광로(태양의 핵융합 시작, 질량이 뭉쳐지면서 자체 중력으로 태양 중심부에서 고온,고압의 상태가 계속 높아지면서 수소핵융합이 가능한 상태가 되면서 시작됨)가 점화됩니다.
태양계의 새벽빛이 첫번째의 세계인 목성(Jupiter)의 모습을 비춥니다. 목성은 가장 먼저 생겨나서 태양이 가져간 물질 외에 대부분의 물질들을 흡수합니다.
목성은 그 우월성(크기,질량과 그에 따른 중력)으로 인해서 새롭게 형성되는 태양계에 큰 영향을 미쳤습니다. 그리고 우리의 생태계 형성의 길을 닦았습니다.
태양계는 수성,금성,지구,화성의 바위로 이루어진 내행성들과 화성 바깥쪽으로 수백만개의 소행성으로 이루어진 소행성벨트, 그리고 기체로 이루어진 목성,토성,천왕성,해왕성으로 이루어져 있습니다.
우리는 이러한 행성의 배열 형태가 일반적이라고 생각해왔습니다. 그러나 외계를 관측하면서 이러한 행성 배열이 일반적이지 않다는 걸 알게 되었습니다.
우리의 태양은 우리 은하계의 3000억개의 별 중에 하나에 지나지 않습니다.
그리고 이 대부분의 별들은 자신들만의 행성계를 가지고 있습니다.
그리고 이 대부분의 다른 행성계에서 우리 태양계의 행성궤도의 위치는 비어있는 상태입니다.
대신에 그 행성계의 태양(별) 가까이에서 우리의 지구보다 훨씬 큰 슈퍼지구를 발견할 수 있습니다.
결정적으로 이런 행성들은 두껍고 유독한 대기를 가지고 있습니다.
이런 환경은 생명이 살기 매우 어렵습니다.
여기서 의문이 제기됩니다. 왜 우리 태양계는 이렇게 생겼는가?
그 의문을 폴기 위해서 우리는 태양계의 모든 행성들에 탐사선을 보내왔습니다. 이를 통해 이상한 현상들과 태양계의 과거를 밝혔습니다.
금성탐사를 통해 예상했던 것보다 더 오랜동안 더 많은 물을 갖고 있다는 것을 알았고, 마치 지구의 현재같은 과거를 가지고 있다는 사실을 알아냈습니다.
탐사선은 지구와 금성의 자매성으로 크기는 1/2인 화성의 많은 것들을 알려주었습니다.
소행성벨트에 대해서 우리는 (행성이 되는데)실패한 묘지의 많은 것들을 알아냈습니다.
(다른 행성계와 비교해서) 이런 차이를 발생시키는 무언가 파괴적 원인이 태양계 생성 초기에 있었을거라 생각됩니다.
현재까지 모든 증거들로 보면 45억년 전쯤에 목성의 궤도변화가 있었으며 이로 인해 신생 태양계의 면모를 뒤바꾸는 전래없는 엄청난 결과가 초래되었습니다.
목성은 생성 초기에 태양쪽으로 움직였으며 그 이동의 영향들은 오늘까지도 관찰됩니다.
화성과 목성 사이에는 소행성대(asteroid belt)가 놓여있습니다. 태양계의 생성에 관여하고 나서 버려진 찌꺼기들입니다.
SF영화를 보면 소행성대는 종종 항해가 불가능한 바위 투성이가 충돌하는 곳으로 묘사되곤 합니다. 실상은 다릅니다. 지구에서 발사한 우주선이 소행성대를 빠져나갈 때 NASA의 기술자들이 항로를 조정할 필요는 없습니다. 왜냐하면 소행성대는 대부분이 빈 공간이기 때문입니다. 소행성대의 전체 질량은 지구의 달(moon)의 4%의 불과하며 이 보잘 것 없는 질량이 엄청나게 넓은 소행성대 전체에 퍼져있기 때문입니다. 소행성들간의 평균 거리는 지구와 달의 거리의 8배 정도입니다. 만일 누군가 소행성 하나에서 다른 소행성을 바라본다면 아주 흐릿한 별처럼 보일겁니다.
2007년 NASA의 Dawn 미션은 소행성대의 가장 큰 2개의 목표를 탐사하기 위해 발사됩니다.
거대 소행성 베스타(Vesta) 주변으로의 1년간의 궤도비행후에 2015년 3월 Dawn은 소행성대의 1/3의 질량을 가지고 있는 세레스(Ceres)에 접근합니다.
Dawn 탐사선이 세레스에서 보내온 사진과 분광분석 결과를 보면 소금이 보입니다. 이 결과를 통해 세레스의 표면아래에는 물이 얼음의 형태로 존재하는 것을 알게 되었습니다.
세레스 전체에 이런 밝은 빛이 비치는 소금이 존재하는 곳이 300군데가 넘게 존재합니다. 이 결과를 통해 세레스는 얇은 지표면 아래에 두꺼운 얼음층이 있다는 것을 알게 되었습니다.
관찰결과 세레스의 지각은 여러개의 층(Multi-layer)을 가지고 있다는 걸 알게 되었고, 이는 일반적인 소행성들과 다르다는 것을 의미합니다. 이것은 세레스가 소행성보다는 행성의 특징을 가지고 있다는 것을 말해줍니다.
45억년전 세레스는 완전한 행성으로 가는 길을 잘 걷고 있었습니다.
생성 초기의 세레스는 지금과는 완전히 다른 모습이었을 것으로 생각됩니다. 지금은 표층 아래에 얼어있는 물은 한때 액체상태였을 것입니다. 얇은 얼음의 층으로 보호받은, 세레스는 한때 깊은 소금물의 바다로 덮혀있었습니다.
목성이 45억년 전 태양과의 중력작용에 의해 태양으로 접근하면서 소행성대의 99.9%의 물질들을 쓸어가 버렸습니다. 이 과정에서 소행성 벨트의 풍부한 물질들을 흡수해서 지구형 행성으로 발전하던 세레스는 증가를 멈추게 되었습니다. 이로 인해 세레스는 행성으로 진화화는 과정을 멈춰버렸습니다.
1억년 정도의 기간동안 세레스의 바다는 얼어붙었고, 표층아래로 뭍혔습니다. 어린 행성은 꽃을 피기도 전에 져버렸습니다.
그러나, 목성의 이러한 공포스러운 지배는 여전히 끝나지 않았습니다.
목성은 이제 막 생겨나기 시작한 초창기 지구에까지 그 영향을 미치며 존재 자체를 위협하게 됩니다.
목성은 그 엄청난 질량에 의한 중력으로 인해 태양계 전체에 압도적인 영향력을 행사하고 있습니다.
목성의 질량은 지구의 320 배입니다. 이렇듯 압도적 질량에 의한 중력장의 효과는 목성의 가장 가깝고 큰 달인 Io를 통해서 관찰할 수 있습니다.
Io(아이오)는 태양계에서 가장 활발한 화산의 세계입니다. 표면에 수백 개의 활화산이 있습니다.
Io는 용암의 호수로 뒤덮여 있으며, 로키 파테라(Loki Patera)로 알려진 가장 큰 용암호수는 직경이 200km가 넘습니다.
Io는 지옥의 모습 그 자체입니다.
지구에서의 화산활동은 지각 내부의 열에 의해 발생합니다. 이 열의 대부분은 45억년 전 지구의 생성당시에 발생했던 에너지의 잠열(residual heat)이 절반 정도이고, 나머지 절반은 지구 코어에 있는 원소들의 방사성 붕괴(radioactive decay)로 발생합니다.
Io의 경우는 작기 때문에 지구처럼 많은 잠열을 가지고 있지 않습니다. 그러므로 Io의 화산활동은 다른 과정을 통해 이루어집니다. 조석력(Tidal force)에 의해 이루어집니다.
Io의 화산활동은 중력에 의해 에너지를 공급받습니다. Io의 궤도는 목성의 구름층 꼭대기로부터 35만 킬로미터 떨어져 있습니다. Io의 목성에서의 궤도는 달과 지구의 궤도와 거의 비슷합니다.(달과 지구와의 거리는 384,400km)
그러나, 목성은 지구에 비해 엄청나게 무겁기 때문에, Io는 목성주위를 훨씬 빠른 속도로 돌게 됩니다. Io가 목성의 유일한 위성이라면 공전궤도는 원이었을 것이지만, 그렇지 않습니다. Io외에 목성에는 위성 Europa(와 Ganymede)가 있습니다. Io와 유로파의 목성 주위 공전주기의 비는 2:1(Io와 가니메데의 공전주기의 비는 4:1)입니다.
이로 인해 Io의 1공전주기동안 유로파와 2번을 만나게 되며,(가니메데와는 4번) 만나는 위치에서 궤도 공명이라는 현상이 생겨납니다. 이로 인해 Io는 공전하는 동안 중력의 힘과 방향에 있어서 지속적인 변화를 겪게 되고 이로 인해 Io는 늘어났다가 압축됐다가를 반복하게 되면서 마찰이 일어나고 그로 인해 열이 발생합니다. 이를 조석력(Tidal Force)에 의한 가열(heating)이라 부릅니다. (지구도 마찬가지 현상이 일어난다. 하지만 그 조석력이 약하므로 대양의 파도 정도의 영향으로 그치고 만다. 참고로 Io가 moon보다 공전속도가 17배 정도 빠르며, 조석력으로 비교하면 지구의 달보다 2만 배 정도의 조석력을 받고 있다)
이 조석력이 Io의 화산활동의 에너지원이 됩니다. 이로 인해 Io의 내부는 1,000℃로 가열되며, 이를 통해 가열된 암석은 온도와 압력을 통해 지상으로 분출되며, 그 높이는 지상 300km에 이릅니다.
Io는 거대행성이 얼마나 강력한 힘을 행사하는지를 일깨워 줍니다.
현재 이렇듯 강 력한 목성의 중력장의 영향을 지구에서는 크게 느끼지 못하죠. 지구와 목성간의 거리가 굉장히 멀기 때문입니다.
하지만 45억년 전, 지구와 화성이 생성되었던 시기에 목성은 지구와 화성이 위치한 내부 태양계 접근 중이었습니다.
앞으로 소행성 벨트(asteroid belt)가 될 지역을 지나서 목성은 내부 태양계로 진입합니다. 태양 주위를 선회하면서 점점 더 태양쪽으로 접근해 옵니다. 45억년 전 당시 지구와 화성이 있던 영역은 가스와 바위들로 빽빽했습니다.
하지만, 목성이 접근하면서 대혼란이 일어납니다. 거대한 바위들은 사방으로 흩어지고, 어떤 것들은 태양으로 끌려들어가 생을 마감하고, 어떤 것들은 먼 우주공간으로 사라집니다.
이렇듯 거대한 목성이 내부 태양계로 접근하면서, 지구와 화성이 생길 위치의 가스와 바위들을 쓸어내버리면서 큰 지구와 큰 화성(Super Earth, Super Mars)이 될 수 있는 재료들을 청소해 버렸습니다. 이것이 우리가 다른 행성계에서 지구나 화성의 위치에 더 큰 행성이 발견되는 것과 달리 우리 태양계가 상대적으로 더 작은 지구와 화성을 가진 이유입니다.
그리고 목성에 의해 더 많은 바위와 가스물질이 더 많이 사라진 위치에 있던 화성이 지구나 금성보다 1/10 크기로 작은 이유이기도 합니다.
목성이 계속 태양으로의 접근을 계속했다면 지구 역시 화성과 비슷한 작은 행성이 되었을 것이며, 만약 그랬다면 지금처럼 생명이 가득찬 별이 되지 못했을 것입니다.
이처럼 모든 것을 휩쓸고 지나갈 것만 같았던 목성의 움직임에 무엇인가 제동을 걸게 됩니다.
외부 태양계의 그늘에서 또 다른 행성이 생겨났습니다. 태양계의 2번째 거인인 토성(Saturn)입니다.
토성의 탄생이 모든 것을 바꿔버립니다.
토성의 생성 초기에는 목성과 마찬가지로 그 거대한 질량에 의한 중력의 효과로 태양 주위를 공전하면서 태양쪽으로 접근했습니다.
토성은 질량이 목성보다 적기에 더 빠른 속도로 공전하면서 태양쪽으로 접근하고, 목성과 마찬가지로 목성과 토성 사이의 가스와 바위 물질들을 중력효과로 쓸어내버립니다.
목성과 토성의 공전주기는 1:2 정도였고, 이로 인한 공전궤도 공명 현상(orbit resonance)으로 인해 목성과 토성의 태양쪽으로 접근하던 움직임에 변화가 생기고 결국은 다시 태양으로부터 멀어지면서 외부 태양계로 이동하게 됩니다.
결국 토성이 생기면서 목성은 외부 태양계로 후퇴하게 되었습니다. 또한 후퇴후 내부 태양계에 남겨진 가스와 바위물질들을 통해 지구와 화성이 형성될 수 있었습니다.
목성의 접근, 그리고 이후 토성의 생성 이에 따른 토성과 목성의 궤도 공명으로 인한 목성의 후퇴라는 일련의 결과들을 통해 지구는 다른 행성계의 지구별 위치에 생기는 일반적인 거대 크기의 행성과 같은 크기가 아닌 적절한 크기로 생겨나게 됩니다.
지구가 생성되었던 내부 태양계의 태양과 가까운 지역은 건조하고 물이 거의 없었습니다. 하지만 지구가 생겨났을 때 이미 목성은 외부 태양계를 향해 후퇴를 하는 중이었고, 이 궤도에는 얼음과 물이 풍부한 혜성과 소행성이 가득한 소행성 벨트 지역이 있었습니다. 목성이 후퇴하면서 이 지역의 물을 내부 태양계로 밀어내게 되었고 이것이 지구 생성시에 물이 풍부한 행성이 될 수 있는 원인이 되었습니다.
이러한 생각은 보기에 매우 작위적이며, 거의 환상적입니다. 하지만 우리의 태양계와 같이 태양과 가까운 별에서 대륙과 풍부한 물이 있고, 외부에는 거대한 개스행성이 있는 모델이 어떻게 생성될 수 있는지에 대해 연구를 거듭하면서, 앞에서 설명한 이러한 일련의 움직임들의 결과로서 우리의 태양계와 같은 곳이 만들어졌다는 것은 정말로 희귀한 경우라는 것을 알 수 있습니다.(말 그대로 우리의 태양계 그리고 그 속에서 지구라는 생명이 가득찬 행성이 존재할 수 있었다는 것은 우주적 관점에서 봐도 매우 희귀한 경우라는 의미)
지금의 목성은 소행성 벨트 끝자락인 외부 태양계에서 안정적인 궤도를 돌고 있습니다.
그러나 지금도 목성은 지구에 영향을 주고 있습니다. 목성은 지구와의 엄청난 거리에도 불구하고, 소행성 벨트를 통해 바이스를 쥐는 것 같은 영향력을 지구에 행사하고 있기 때문입니다.
태양과 목성간의 미묘한 중력장의 간섭을 통해 소행성 벨트의 일부 소행성들은 태양쪽으로 향하게 됩니다.
약 1억년 전 직경 10km 정도의 소행성이 소행성 벨트로부터 떨어져 나옵니다. 목성의 중력에 의해 떨어져나간 이 소행성은 지구와 충돌하게 되고, 엄청난 폭발을 일으킵니다. 1000km 반경 내의 모든 생물이 즉각 사멸하고, 3000억 톤에 달하는 황(sulphur)를 대기중에 퍼뜨립니다.
뒤따르는 핵겨울로 인해 지구상의 75%의 생명들이 사라집니다.
단 한번의 손짓만으로 목성은 지구의 역사의 행로를 바꿔버립니다.
현재 지구상에는 수백만 년 전의 흔적(화석, 지층과 같은)을 볼 수 있는 몇몇 곳이 있습니다.
수백만년 전의 흔적으로 남은 공룡의 발자국의 주인들은, 만약 목성이 없었더라면 여전히 지구의 주인으로 남아있었을 지도 모릅니다.
그리고 같은 논리로, 목성이 없었다면 우리 인간은 여기에 존재하지 않았을지도 모릅니다.
행성들의 대부(목성)는 우리가 지구를 물려받도록 길을 닦아 주었습니다.
목성은 우리별에 소행성들을 던지기도 했지만, 외부 태양계의 바깥으로부터 접근하는 소행성과 혜성들을 막아주기도 했습니다. 목성의 중력장이 방패같은 역할을 한 것입니다.
1세기 전 직경 4km, 무게 170억 톤에 달하는 바위와 얼음으로 된 덩어리가 태양계를 향해 돌진해왔습니다. 목성이 그것을 가로막기 전까지.
그로부터 70년 후, 우리는 목성이 얼마나 효과적인 방패인지를 목격했습니다.
스페이스 셔틀 아틀란티스에 태워져, 목성을 향한 궤도선 갈릴레오가 발사되었습니다.
갈릴레오가 발사되고 3년 뒤, 슈메이커-레비 9호(Shoemaker-Levy 9) 혜성이 목성의 중력에 의해 포획되었습니다.
거대한 중력에 의해 포획된 바위덩어리는 조석력에 의해 산산조각이 납니다.
소행성 벨트를 지나서 목성으로 접근하던 갈릴레오 탐사선은 1993년 7월16일에 이 혜성이 목성과 충돌하는 장면을 목격합니다.
혜성의 조각들은 목성의 남반구 여러 지역에 6일 동안 떨어지면서 충돌하게 되었고, 이는 인류가 최초로 발견한 혜성과 행성의 충돌 모습입니다.
이 엄청난 파괴적 충돌로 6백만 메가톤(앞부분의 애리조나의 배린저 분화구에 충돌한 운석의 에너지의 10,000배에 해당)의 에너지가 방출됩니다. 이 충돌로 목성의 해당부분에는 직경 12,000km에 달하는 어두운 구름 영역이 남겨졌습니다.
이렇게 목성이 있는 덕분에 지구에 충돌할 수도 있었던 수 많은 운석들을 피할 수 있었습니다.
가장 오래되고 가장 큰 행성인 목성은 이렇듯 우리 태양계의 대부와도 같습니다.