우주의 먼지들이 뭉치고
뭉친 덩어리들을 중심으로 별이 형성된다.
이런 과정으로 태양계에는 수성(Mercury)
금성(Venus)
짙은 대기로 쌓여있다.
지구
그리고 화성(Mars)
버려진 땅.
이 별들 중 독특한
별 지구.
지구는 태양계의 다른 불모의 별들과 다르다. 이것은 운명인가? 우연인가?
무엇이 지구를 특별하게 했는가? 바로 생명이다.
지구는 태양계에서 특별하다. 아마 수천 광년 거리내에 이런 별은 없을 것이다.
지구에는 태양과의 적당한 거리와
생명이 탄생할 수 있던 물이 존재할 수 있는 대기가 유지되고 있다.
우리가 태양계의 자매별들을 탐험하면서
태양계의 다른 행성들도 지구와 비슷한 조건을 가지고 있던 때가 있음을 알게 되었다.
수성은 작고 고통받는 별이다.
수십억년 동안 태양의 직격을 견뎌내고 있는 땅.
수성은 신비하면서 모순의 세상이다. 태양을 중심으로 타원형 궤도를 돌고 있으며, 태양으로부터의 거리는 가장 멀 때가 7,000만Km, 가장 가까울 때가 4,600만Km이다. 이로 인해 수성은 한낮의 최고기온은 430℃이며, 밤에는 대기가 없기 때문에 영하 170℃까지 떨어진다.
스핀 궤도공명(spin-orbit resonance)이라 불리는 현상에 의해, 수성은 태양을 중심으로 공전을 2번 하는 동안에 수성축을 중심으로 하는 자전이 3번 이루어진다. 이로 인해 수성의 낮(day)은 수성의 년(年)의 2배의 길이를 가진다.
이 말은 만약 수성의 어떤 지점에서 일몰을 봤을 때, 내가 3.2km/h의 속도로 걸으면 영원히 일몰을 볼 수 있게된다.(어린왕자가 매우 좋아할 듯)
수성은 내행성 중 가장 탐사가 적게 되었다. 그 이유는 태양에 근접하는 특유의 타원형 궤도 때문으로 엄청난 도전이기 때문이다.
2004년 8월 나사는 수성탐사선 메신저를 발사한다.
수성으로 직선으로 가는 궤도를 택하는 것은 부적절하다. 왜냐하면 수성궤도를 직선으로 가게 되면 수성에 근접해서 수성궤도를 돌기 위해서는 속도를 줄여야 되는데, 속도를 줄이는데 엄청난 양의 연료가 필요하다.
그래서 메신저 탐사선은 한 행성에서 다른 행성으로 단계적으로 진행하면서 중력을 이용하여 속도를 줄이면서 궤적을 조절한다.
그럼에도 불구하고 메신저는 수성에 도착할 때 속도가 너무 빠르기 때문에 수성 궤도에 안착하기 위해서는 수성을 세번 지나쳐야 한다.
이런 7년간의 예정된 비행을 마치고 나서야 비로서 메신저는 수성궤도를 돌 수 있다.
메신저의 임무는 수성표면의 사진을 찍어서 전송하는 것이다.
이를 통해 대부분이 크레이터로 덮힌 이 행성의 모습을 정밀하게 밝혀줄 것이다.
메신저는 수성의 표면의 모습 이외에도 많은 것을 알려주었다.
메신저에서 보내는 라디오 신호를 추적하는 과정에서, 수성의 공전궤도상의 미세한 변화를 알게 되었다. 이 자료를 통해 수성의 중력장을 파악할 수 있었다. 또한 이를 통해 수성이 자전축으로부터 얼마나 흔들리며(wobble) 회전하는지도 알게 되었다. 이를 통해 수성의 크로스섹션(횡단면적, cross section)을 계산할 수 있다. 이 계산을 통해 굉장히 이상한 사실을 알게 되었는데, 수성의 핵심(core)이 중심(center)로부터 표면으로 85% 나와있다는 것을 알게 되었다. 이는 수성의 핵심(core)가 거의 드러나있다는 것을 의미하며, 과거 수성이 어느 순간 거대한 충돌로 인해 별 표면의 상당 부분이 깍여나간 것으로 추정된다.
또한 메신저의 탐침은 수성의 화학적 조성을 탐지하여 놀라운 사실을 알려주었다.
황 1~4%, 칼륨 0.03~0.24%
이전까지는 태양과 이렇게 가까운 곳에 휘발성이 강한 황과 칼륨이 있을거라고 예상하지 못했다. 현재 수성과 태양과이 거리와 표면의 온도를 생각하면 휘발성이 강한 이 2개의 물질이 이 정도의 양으로 존재한다는 것은 놀라운 일이다.
이로 인해 행성의 형성에 관한 기존의 이론들이 심각한 도전에 직면하게 되었다.
수성이 탄생했던 시기에 수성의 궤도는 현재보다 태양에 더 멀리 떨어져있었다.
그것은 현재의 화성과 비슷한 태양과의 1억7천만Km의 거리였다.
수성이 원래 그 궤도에 그대로 있었다면 수성의 운명은 매우 달라졌을 것이다.
그러나 젊은 행성은 무르익기도 전에 거대한 충격으로 궤도를 벗어나게 된다.
현재의 우리가 보고 있는 행성들의 위치가 과거에는 달랐다는 사실을 받아들이기가 힘들다. 우리는 행성들의 위치가 마치 정밀한 시계의 부속들처럼 항상 같은 위치였을거라고 알고 있다.
우리의 현재 지식으로는 태양과 다른 한개의 행성간의 중력에 의한 운동(motion)은 정확히 계산이 가능하다. 하지만 여기에 한 개의 행성을 더 추가하여 3개의 행성간의 운동이 되면 그 계산의 난이도는 기하급수적으로 올라가며 정확한 해를 찾기란 어렵다. 심지어 우리의 태양계의 행성 모두를 방정식(뉴톤 방정식)에 집어넣으면 정확한 계산은 불가능하다.
이러한 이유로 초기 조건의 자그마한 차이로도 엄청난 결과의 차이를 보인다. 결론적으로 우리의 행성의 위치는 오랜 시간을 두고 보면 안정적이지 않다.(*우리의 행성계는 우리가 보통 생각하듯 고정된 태양을 중심으로 수,금,지,목,토,천,해,(명)의 행성들이 공전하는 그런 간단한 모형이 아니다. 태양 자체도 은하계의 중심을 축으로 공전하고 있으며 삼차원적으로 보면 태양이 돌고 있고 그 태양을 따라서 행성이 도는 vortex궤도를 그리고 있다. 유튜브에 solar system, vortex라는 주제어로 검색해보면 이에 대한 해당영상이 있다.)
수성은 탄생 초기에 태양으로터 1억7천만킬로미터로 화성과 비슷한 위치에 있었다. 탄생 초기 이 위치에는 막 생긴 큰 덩어리들이 존재하며 위치를 다투었고,
결국 새로 생긴 큰 덩어리들끼리 충돌이 일어났다.
이 과정에서 미래의 수성이 될 덩어리는 충돌로 인해 표면의 많은 양이 벗겨져나가면서 태양쪽으로 튕겨가고
남은 잔해들이 뭉쳐서 금성(Venus) 모태가 된다.
이러한 가설은 표면적으론 매력적이지만 많은 문제점들을 안고 있기도 하다. 일단, 이런 충돌이 일어나면 엄청난 열을 발생시키기 때문에 휘발성 물질들이 다 날라가버린다. 그러므로 과격한 충돌이 아니라 섬세하게 표면만 깍아나가는 가벼운 충돌들이 여러번 일어났다고 가정해야 하는 문제가 생긴다. 그래서 아직까지는 수성의 생성은 풀리지 않는 미스테리이다.
메신저는 4년간의 임무를 마치고 연료가 떨어져서 수성으로 추락하여 또 하나의 자그마한 크레이터를 만들었다.
지구에서 밤하늘에 가장 밝게 빛나는 이 별이 금성(Venus)이다.
금성은 지구에서 가장 가까운 별로, 태양을 반사하는 두꺼운 대기로 뒤덮여있기 때문에 망원경으는 그 표면을 볼 수 없었다. 그래서 1950년대까지는 금성에 생명체가 있을 것으로 많이 기대를 했다.
1960년대부터 70년대까지 소련은 금성을 탐사하기 위한 베네라(Venera) 계획을 실행한다. 이 계획은 계속된 실패를 거듭한 끝에,
1982년 3월1일, 베네라 13호를 금성에 착륙시키는데 성공한다.
베네라 13호는 금성이 사람이 살 수 없는 지옥같은 환경이라는 것을 알아낸다.
단테에 신곡에 나오는 지옥이 이런 모습일까나?
탐사를 통해서 알게된 금성의 모습에서 우리는 질문을 던지게 됩니다. 금성은 지구와 비슷한 크기이며, 우리가 아는 한 비슷한 조성을 가지고 있습니다. 태양과의 거리도 지구보다는 가깝지만 수성에 비해선 멀죠. 그럼 지구와의 차이는 무엇때문에 생기는 걸까요? 한 행성은 천국인 된 반면, 왜 한 행성은 지옥이 된 걸까요?
이 다큐의 호스트인 브라이언 콕스(Brian Cox), 차세대 칼세이건으로 기대되는 영국의 물리학자.
직관과는 달리 금성의 온도는 수성보다도 높습니다. 금성의 온도에 대한 가설은 꽤 복잡하고 태양이 관계됩니다.
태양은 시간이 갈수록 뜨거워졌습니다. 즉, 태양은 지금도 점점 뜨거워지고 있습니다. 지구에서 생명이 생기기 시작한 34~5억년 전에는 태양은 지금보다 차가웠습니다. 즉 당시의 금성도 지금보다 차가웠습니다. 예측으로 당시 금성의 온도는 지금 지구의 상쾌한 봄날씨 정도였을 것으로 보입니다.
금성이 생기고 식어가면서 당시의 온도 조건에 의해서 하늘이 열리며 비가 오고 금성의 대기에 의해서 물이 존재할 수 있게 되고 결국 바다가 생기게 됩니다.
대기에 의한 온실효과로 금성의 온도는 점점 올라갑니다. 지구의 경우 온실효과가 없다면 기온은 영하 18℃ 정도가 된다고 합니다. 온실효과 그 자체로는 좋을 것도 나쁠 것도 없습니다. 온실효과에 의해서 생명체가 살기 적정한 온도가 되느냐 아니면 튀김을 하기에 적당한 온도가 되느냐를 결정하는 것은 아주 미세한 조건 차이가 결정합니다.
금성은 온실효과의 임계점을 넘어가버렸습니다. 결국 모든 지상의 물은 수증기가 되어 두꺼운 대기로 흡수되었고, 수증기는 응축되어도 비로 내리기 전에 다시 증발되어 대기로 흡수됩니다.
현재 금성은 수성보다도 뜨거우며, 태양계에서 가장 뜨거운 행성입니다.
화성(Mars)도 생성 초기에는 물이 존재했습니다. 물은 수억년간 화성에서 존재했습니다.
하지만 화성은 행성의 크기가 작아서 대기를 잡아둘 중력이 부족했고, 대기가 없는 화성의 물은 결국 증발해서 모두 우주로 날아가버리게 됩니다.
태양계의 끊임없는 불안정과 변화의 연속이었습니다.
수성은 행성의 위치가 급격하게 바뀌었고, 그 결과 태양의 혹독한 열에 노출되는 가까운 궤도로 옮겨갔습니다.
금성은 수성보다 온도가 높아지기 전까진 약 2억년 동안 표면에 물이 존재했습니다.
화성의 대양과 하천은 35억년 전쯤에 사라졌습니다.
그러나 특이하게도 지구는 지난 40억년 동안 지표면에 액체상태의 물이 유지되어 왔습니다. 그 결과 복잡한 탄소화학 작용이 발달할 수 있었습니다.
지구는 생명의 별입니다. 생명에 의해 지구상의 모든 현상이 생겨납니다.
생명은 지구에 핵심적인 역할을 합니다. 생명현상에 의해 지구상의 평형상태가 유지됩니다. 그 결과 일정한 온도와 대기가 유지됩니다.
다른 행성중에 지구만이 가장 긴 기간동안 이 모든 것을 향유해왔습니다.
하지만, 이것도 영원할 순 없습니다.
다른 행성과 마찬가지로 언젠가는 지구도 바위덩어리로 뒤덮힌 별이 될 것입니다.
그것은 끊임없이 태양이 나이가 들어가는 과정 때문입니다.
우리는 마지막에 별들이 어떤 과정을 거치는지 정확히 알고 있습니다.
저기 반짝이는 별은 악투러스(Arcturus)라고 합니다. 이 별은 태양보다 약간 큰 질량을 가졌으며 나이는 60~80억년으로 추정됩니다. 아마도 태양보다 30억년 정도 나이가 든 것으로 알려져 있습니다.
지금 이 별은 중심부의 수소를 모두 소모(핵융합으로)한 적색거성(red giant star)입니다. 이 별은 크기가 부풀고 있으며, 식어가고 있습니다.
우리는 태양의 나이가 50억년 정도 때부터 이런 현상이 시작될거라고 예상하고 있습니다.
태양이 내부의 수소를 모두 소진하고 나면(태양과 같이 빛나는 행성은 모두 수소를 원료로 핵융합을 한다. 핵융합 과정에 의해 2개의 수소가 만나서 헬륨으로 변환되면서 그 차이에 해당하는 질량이 열과 빛 에너지로 전환되어 빛과 열을 뿜어낸다. 모든 수소가 소진되면 별은 질량이 줄어들어 자체의 중력이 약해지고 팽창을 시작한다.) 적색거성으로 발전하게 됩니다. 이 과정에서 태양은 수백만 킬로미터씩 팽창하게 됩니다.
가장 먼저 수성이 태양에 삼켜집니다.
다음엔 금성이 사라질 겁니다. 지구는 혹시라도 탈출할 수도 있을지 모릅니다.(최근에 중국에서 지구에 로켓을 달아 팽창하는 태양을 벗어난다는 영화를 만들었다. 5억년 후까진 어쨋든 지구를 움직이든 아니면 로켓을 타고 외계로 도망가든 무슨 수를 내야 한다. 그때까지 인류가 살아남을 수 있다면 말이다.)
화성도 이 상황을 피해갈 도리는 없습니다.
결국 태양의 내행성계의 4개의 별은 종말을 고하게 될 겁니다.
그러나 이것이 이야기의 끝은 아닙니다. 태양의 팽창과 함께 여태 동면중이던 얼음왕국이 깨어나게 됩니다.
바로 목성과 토성의 별들입니다.
가스로 이루어진 거대행성을 도는 이 먼 곳이 따뜻해지기 시작합니다.
토성의 달인 엔셀라두스(Enceladus)와
목성의 달인 에우로파(Europa)처럼
이러한 달들 중에서 가장 조건이 좋을 것으로 생각되는 한곳이 있습니다.
토성 탐사선 카시니의 모습.
토성의 달이며, 수성보다 큰 행성의 크기를 가진 타이탄(Titan)
타이탄의 대기는 짙은 질소와 메탄으로 이루어져있습니다. (호이겐스 탐사선, 2005년 1월14일)
호이겐스 탐사선은 타이탄에 착륙하면서 첫번째 영상을 보내왔습니다.
이 사진을 통해 우리는 타이탄의 표면에 액체와 얼음덩어리가 있다는 것을 알게 되었습니다. 타이탄의 표면온도는 영하 180℃입니다. 그러면 이 액체는 무엇일까요? 호이겐스의 탐색결과 타이탄에 상당한 양의 메탄이 있다는 사실을 알려줍니다. 타이탄의 높은 대기압과 낮은 온도로 인해 메탄이 액체상태로 존재합니다.
호이겐스는 타이탄에 착륙후 몇 시간동안만 동작을 했습니다. 착륙지 근처에서 액체 메탄이 흐른 흔적을 찾지는 못했습니다.
호이겐스가 타이탄에 착륙하고 나서 1년 후, 토성궤도를 돌던 카시니(Cassini)탐사선은 타이탄의 북극점 위를 지나가면서 극적인 발견을 하게 됩니다.
바로 거대한 액체 메탄의 호수들을 발견합니다.
타이탄에는 화학적 중합물들이 있으며 지구와 같은 탄소 화합물 즉, 생명의 가능성을 가지고 있습니다.
과학자들은 발견된 사이안화 수소(hydrogen cyanide)는 아미노산(Amino acid)의 재료로 사용될 수 있으며, 아크릴로나이트릴(Acrylonitrile, or vinyl cyanide)은 세포막같은 것들의 재료가 될 수 있을 것으로 예상하고 있습니다.
이렇듯 생명에 필요한 물질을 타이탄에 있으며, 아주 적은 수이긴 하지만 일부 과학자들은 타이탄에 현재 생명이 있을 것으로 생각하기도 합니다.
현재는 영하 180℃의 기온이지만, 언젠가 기온이 올라간다면 지금과는 완전히 다른 모습이 될겁니다.
거대해진 태양에 의해 타이탄에 햇빛이 닿기 시작하면, 서서히 타이탄의 온도가 올라가기 시작할 것입니다.
온도가 올라가기 시작하면 온실효과에 의해 점점 더 온도가 올라가고 현재는 얼음으로 되어 있는 물이 녹기 시작하면서 타이탄의 표면의 액체 메탄을 물이 대신하게 될 것입니다.
태양빛이 우리 행성계의 마지막 생명의 가능성을 비추기 시작할 것입니다.
타이탄은 이 짧은 생명의 가능성의 시기를 보내게 될겁니다.
우리는 거주가 가능한 조건이 영원할 것이라 생각합니다. 지구는 태양에서 너무 멀지도 가깝지도 않은 골디락스존 (Goldilocks zone)이기에 생명이 가능했다고 합니다. 하지만 사실은 훨씬 복잡합니다. 태양계는 역동적입니다. 궤도는 언제든지 바뀔 수 있고, 별의 밝기는 변할 수 있습니다. 즉, 한때는 천국인 곳이 언제든 지옥으로 변할 수 있죠.
우리는 지구가 40억년간 엄청난 혜택을 받은 행운의 별이라는 것을 알아야 합니다.
태양계를 벗어난 곳에 생명이 있을까요? 라는 문제는 흥미진진한 질문입니다.
Ep.01 Fin.