태양계의 형성과 진화
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태양계는 지금으로부터 약 46억 년 전, 거대한 분자 구름의 일부분이 중력 붕괴를 일으키면서 형성되었다. 붕괴된 질량의 대부분은 중앙부에 집중되어 태양을 형성했다. 반면 나머지 물질들은 행성, 위성, 소행성 및 다른 태양계 천체들을 형성하게 될 얇은 원반 모양의 원시행성계원반으로 진화하였다. 이상의 가설은 성운 모형으로 가장 널리 받아들여진 태양계 생성 이론이며, 18세기 엠마뉴엘 스웨덴보르그, 임마뉴엘 칸트, 피에르시몽 라플라스가 개발했다. 이러한 태양계의 형성과 진화에 관한 이론은 시대의 흐름에 따라 발전되어 왔으며, 천문학, 물리학에서부터 지질학 및 행성과학까지 여러 학문 영역을 종합시켜 주는 역할을 수행했다. 태양계 생성 이론은 수세기에 걸쳐 발전했지만, 근대적 이론의 틀을 갖춘 것은 18세기에 이르러서였다. 1950년대에 일어난 우주 시대의 개막과 1990년대의 외계행성 발견의 본격화로 인해 태양계에 대한 이론은 도전을 받는 동시에 다듬어졌다. 지구로 전송된 바깥 세계에 대한 정보는 태양계에 대한 사람들의 이해를 촉진시켰다. 동시에 핵물리학의 발전은 항성에 대한 지식을 증진시켰고, 항성의 탄생 및 궁극적 최후에 관한 이론 수립에 기여하게 된다.
태양계는 처음 태어났을 때부터 격렬하게 진화했다. 많은 위성들은 자신들의 어머니 행성 주위에 형성되어 있던 가스 물질과 먼지에서 생겨났다. 반면 일부 위성들은 행성의 중력에 의해 포획되거나, 또는 천체끼리의 충돌로 인한 파편이 뭉쳐서 생겨났다(지구의 달이 이런 사례일 것으로 추측하고 있다). 천체끼리의 충돌은 오늘날까지도 꾸준히 이어지는 현상이며, 태양계의 진화에 있어 중요한 부분을 차지한다. 행성들의 궤도는 안쪽 또는 바깥쪽으로 바뀌며, 행성들끼리 서로의 위치를 바꾸기도 한다. 이러한 행성의 '이주' 현상은 태양계 초기 진화 때 발생한 것으로 추측하고 있다.
사람의 일생과 같이, 태양계의 구성원들도 결국은 죽는다. 약 50억 년 후 태양의 표면 온도는 내려가며 부피는 크게 확장된다. 이후 태양은 자신의 외곽층을 행성상 성운의 형태로 날려 보내며 백색 왜성으로 알려진 별의 시체를 남긴다. 행성들 역시 태양과 같은 길을 걷게 된다. 머나먼 미래에 태양 주변을 지나가는 항성의 중력 때문에 서서히 행성들의 궤도는 망가지게 된다. 행성들 중 일부는 파멸을 맞게 될 것이며, 나머지는 우주 공간으로 내팽개쳐질 것이다. 결국 수 조 년이 흐르면, 태양은 자신을 공전하는 천체들을 모두 잃어버리고 홀로 남게 될 것이다.
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[편집] 역사
세계의 탄생 및 멸망에 관한 이론은 가장 오래 된 문헌에서도 발견된다. 그러나 오랜 시간동안 인류는 이러한 생멸 이론을 태양계에 접목할 생각을 하지 못했다. 그 이유는 우리가 현재 익숙하게 태양계라고 부르는 체계는 과거 사람들에게 알려지지 않은 개념이었기 때문이다. 태양계의 생성 및 진화에 대한 첫번째 고찰은 태양 중심설(지동설)로, 태양을 중심으로 지구를 포함한 행성들이 그 주위를 돌고 있다는 이론이었다. 이 개념은 거의 천 년 동안 무시되어 오다가 17세기 말에 이르러서야 폭넓게 받아들여진다. '태양계'라는 표현이 처음 등장한 때는 1704년으로 거슬러 올라간다.[1]
현재 천문학계에서 인정받고 있는 성운설은 18세기 이 이론을 엠마뉴엘 스웨덴보르그, 임마뉴엘 칸트, 피에르시몽 라플라스가 주창한 이래로 배척받고 반박당해 왔다. 성운설이 무시되었던 가장 큰 이유는 태양의 각운동량이 행성들의 그것과 비교할 때 너무 작기 때문이었다.[2] 그러나 1980년대 초부터 어린 별들을 관측한 결과 이들이 먼지와 가스로 이루어진 차가운 원반에 둘러싸여 있음을 알게 되었다. 이는 성운설이 주장하는 내용과 일치하는 것이었고, 성운설은 신빙성 있는 이론으로 재조명을 받게 되었다.[3]
태양이 어떻게 진화할지를 연구하는 과정에서 태양이 어떻게 에너지를 만들어내는지를 이해하게 되었다. 아서 스탠리 에딩턴은 알버트 아인슈타인의 상대성 이론에 입각하여, 태양의 복사 에너지가 중심핵에서의 핵융합 작용에 의해 발생함을 증명하였다.[4] 1935년 에딩턴은 한발 더 나아가 여러 원소들이 항성의 내부에서 만들어진다고 주장했다.[5] 프레드 호일 경은 적색 거성으로 불리는 죽어가는 항성의 내부에서 헬륨보다 무거운 모든 원소가 만들어졌음을 제시함으로써 에딩턴의 주장을 보강했다. 적색 거성은 자신이 지니고 있던 물질을 우주로 분출하는데, 이 원소들은 다른 항성계를 구성하는 데 재활용된다.[5]
[편집] 성운 이론
- 이 부분의 본문은 성운 이론입니다.
현재의 태양계 형성 이론은 성운 이론으로 이는 엠마뉴엘 스웨덴보르그가 1734년 제시한 학설로 이후 1755년 임마뉴엘 칸트가 보충하고 범위를 확장시켰다. 1796년 피에르시몽 라플라스가 유사한 이론을 독자적으로 수립했다.
[편집] 전태양 성운
성운 이론에 따르면 태양계는 폭이 수 광년에 이르는 분자 구름의 일부분이 중력 붕괴를 일으켜 생겨났다고 한다.[6] 2000년대 초까지만 해도 태양은 홀로 태어난 것으로 알려져 왔다. 그러나 최근 태양계 생성 초기 운석들의 성분을 조사한 결과 철-60과 같이 초신성 폭발을 통해서만 생길 수 있는 동위 원소의 흔적이 발견되었다. 이는 태양이 생겨난 곳 근처에 초신성이 여럿 있었음을 의미한다. 이들 초신성에서 나온 충격파는 태양 성운의 밀도를 증가시켰고, 중력 붕괴를 일으켰다. 오직 무겁고 금방 죽는 별만이 초신성으로 최후를 맞기 때문에, 태양은 오리온 성운처럼 무거운 별들을 생산해 내는 항성 생성 장소에서 형성되었음이 틀림없다.[7][8]
이 중력 붕괴가 일어난 부분(전태양 성운)[9]이 태양으로 되었을 것이다. 전태양 성운의 지름은 7,000~20,000 천문단위였으며[6][10][11], 총 질량은 태양의 1.001에서 1.1배였다. 구성 성분은 수소와 헬륨(빅뱅 때부터 존재한 원소) 98퍼센트, 중원소(최초 별들이 죽음을 맞으면서 우주 공간에 분출한 원소들)가 나머지 2퍼센트로 지금의 태양과 거의 같았다.[12]
각운동량 보존의 법칙에 의해서, 성운은 붕괴하면서 회전 속도가 빨라졌다. 성운 내 물질들이 뭉치면서, 물질 내부에 있는 원자들은 더욱 자주 충돌하기 시작했고 열 형태로 에너지를 방출하게 되었다. 성운 물질의 대부분이 모여 있는 중앙부는 주변 원반부에 비해 점점 더 뜨거워져 갔다.[6] 약 10만 년에 걸쳐[13] 중력, 가스의 압력, 자기장, 원반의 회전 등으로 발생한 에너지로 인해, 압축되어 있던 성운은 평평해지면서 반지름 200 천문단위[6] 정도에 이르는, 회전하는 원시행성계 원반으로 진화했다. 그리고 그 중앙부에는 뜨겁고 밀도 높은 원시별이 생겨났다[14].
| 동위원소 | 원자핵 백만 개당 갯수 |
|---|---|
| 수소-1 | 705,700 |
| 수소-2 | 23 |
| 헬륨-4 | 275,200 |
| 헬륨-3 | 35 |
| 산소-16 | 5,920 |
| 탄소-12 | 3,032 |
| 탄소-13 | 37 |
| 네온-20 | 1,548 |
| 네온-22 | 208 |
| 철-56 | 1,169 |
| 철-54 | 72 |
| 철-57 | 28 |
| 질소-14 | 1,105 |
| 규소-28 | 653 |
| 규소-29 | 34 |
| 규소-30 | 23 |
| 마그네슘-24 | 513 |
| 마그네슘-26 | 79 |
| 마그네슘-25 | 69 |
| 황-32 | 396 |
| 아르곤-36 | 77 |
| 칼슘-40 | 60 |
| 알루미늄-27 | 58 |
| 니켈-58 | 49 |
| 나트륨-23 | 33 |
태양계의 진화 과정에서, 이 시점의 태양은 황소자리 T 항성 형태였을 것으로 추측된다. 다른 황소자리 T 항성들을 연구한 결과, 이들은 태양 질량의 0.001배에서 0.1배에 이르는 원시행성계원반을 거느리고 있는 경우가 많은 것으로 드러났다[15]. 이러한 원반들은 수백 천문단위까지 펼쳐져 있으며(허블 우주 망원경이 오리온 성운의 항성 생성 영역을 관측한 결과 1,000 천문단위까지 펼쳐진 원시행성계원반들을 관측할 수 있었다)[16], 온도는 그리 높지 않고, 가장 뜨거운 곳도 수천 켈빈 정도에 불과하다[17]. 이후 5천만 년이 흘러서, 태양의 중심핵 부분의 온도 및 압력은 매우 막대해져서 수소는 융합 작용을 일으키기 시작한다. 태양의 내부에서 융합 작용을 통해 발생하는 복사압과 중력으로 인해 수축하려는 힘이 평형을 이루면서 유체정역학적 균형 상태가 만들어지게 되었다[18]. 이 시점에서 태양은 어엿한 주계열성의 단계에 접어들게 된다. 주계열성들은 중심핵 부분에 있는 수소를 태워 헬륨으로 바꾸는 존재들이다. 현재 태양은 주계열성 상태에 있다.
[편집] 행성들의 생성
- 원시 행성계 원반 문서를 참고하십시오.
태양이 생겨난 후 남은 가스 구름 및 먼지로 이루어진, 원반 모양의 '태양 성운'에서 여러 행성들이 생성된 것으로 생각된다.[19] 현재 인정받고 있는 행성 생성 이론은 강착(降着)이다. 강착 이론에 따르면 행성들은 중심부의 원시별 주위를 도는 먼지 알갱이들이 뭉치면서 생겨났다. 이 알갱이들은 직접 서로 충돌하면서 지름이 1~10킬로미터에 이르는 천체(미행성)로 자라났다. 이 미행성들은 작은 천체들을 빨아들이면서 수백만 년에 걸쳐 매년 15센티미터 정도씩 지름이 커져갔다.[20]
태양과 가까운 지역(4 천문단위 이내)은 온도가 높았기 때문에 물이나 메테인과 같은 휘발성 분자들이 압축될 수 없었기 때문에, 여기서 생겨난 미행성들은 금속류(철, 니켈, 알루미늄) 및 규산염 암석 등과 같이 녹는점이 높은 물질로만 이루어지게 되었다. 이런 암석 천체들은 종국적으로 수성, 금성, 지구, 화성과 같은 지구형 행성이 되었다. 지구형 행성을 이루는 물질들은 우주에서 매우 희귀한 존재이기 때문에(성운 질량의 0.6퍼센트에 불과하다), 지구형 행성들은 크게 자라날 수가 없었다[6]. 아기 암석 행성들은 약 지구질량의 10퍼센트 수준까지 자랐고, 태양 생성 후 약 10만 년 동안 물질들을 끌어 모으는 것을 멈췄다. 이후 계속된 이들 행성 규모 천체들은 충돌하고 뭉쳐지면서 지금의 크기로 자라나게 된다[21]. 이들보다 바깥쪽에 있던 선행성 천체들은 목성의 중력 효과 때문에 서로 뭉칠 수 없었고 소행성대로 잔존하게 되었다.[22]
목성형 행성들(목성, 토성, 천왕성, 해왕성)은 동결선(화성과 목성 궤도 사이이며, 이 선 바깥쪽부터는 태양 광선이 약하기 때문에 얼음 화합물들이 고체로 존재할 수 있다) 바깥쪽에서 생겨났다. 목성형 행성들을 만든 얼음 물질은 이 지대에서 규산염 암석이나 금속보다 훨씬 더 흔한 존재였기 때문에 목성형 행성들은 크게 자라났고, 질량이 커지면서 주변의 수소와 헬륨(우주에서 가장 흔한 원소들)을 효과적으로 끌어당길 수 있었다[6]. 동결선 바깥쪽에 있던 미행성들은 3백만 년 동안 대략 지구 질량의 네 배 수준으로 자라났다[21]. 현재 네 개의 가스 행성들은 태양 주위를 공전하는 물질 총량의 99퍼센트에 약간 못 미치는 질량을 차지하고 있다.[23] 이론가들은 목성이 동결선 바로 바깥쪽에 자리잡고 있는 것이 우연이 아니라고 믿고 있다. 동결선에는 태양 쪽으로 끌려가는 얼음 물질들로부터 증발한 많은 양의 물이 축적되었고, 압력이 낮아져 태양 주위를 도는 먼지의 속도가 증가하였으며, 따라서 이들은 태양으로 끌려가지 않게 되었다. 동결선은 태양에서 5천문단위 거리에 있는 물질들이 빠르게 뭉칠 수 있는 보호벽의 역할을 했다. 이렇게 잔류한 물질들은 대략 지구질량 10배 수준의 씨앗 행성으로 자라났으며, 이후 궤도 주변에 있던 수소를 빠르게 삼키면서 대략 1천년 만에 지구질량 150배까지 자라났다. 이후 이 행성은 지구질량의 318배까지 커지게 된다. 토성은 목성이 생겨난 후 수백만 년 후 형성되었고, 이 시기에는 남은 가스 물질들이 적었기 때문에 목성보다 작은 질량을 지니게 되었다[21].
젊은 태양과 같은 황소자리 T 항성들은 평범한 주계열성들보다 더 강렬한 항성풍을 발산한다. 천왕성과 해왕성은 목성과 토성이 생긴 뒤, 강력한 태양풍이 원반에 있던 물질 대부분을 쓸어 버렸을 때 형성된 것으로 생각된다. 그 결과 이들 둘은 적은 양의 수소와 헬륨(각각 지구 질량의 1배가 안 될 정도)만을 모을 수 있었다. 천왕성과 해왕성은 종종 '중심핵 성장에 실패한 존재'로 언급된다.[24] 이 둘의 생성 이론에서 가장 중요한 문제점은 이들이 생성되는 데 필요했던 시간이다. 현재 위치에서 천왕성과 해왕성이 지금 크기로 커지려면 1억 년 정도는 걸렸을 것이다. 따라서 천왕성과 해왕성은 지금보다 태양에서 더 가까운 곳 - 어쩌면 목성과 토성 사이 - 에서 생겨났을 것이며, 그 뒤 바깥쪽으로 궤도를 옮겼을 것으로 추측하고 있다[25][24]. 미행성들이 모두 태양 쪽으로 이동한 것은 아니었다. 스타더스트 탐사선이 코멧 와일드 2에서 채취한 성분을 분석한 결과, 초기 태양계가 생겨날 때의 물질들은 따뜻한 태양계 안쪽 지대에서 카이퍼 대로 이동했던 것으로 밝혀졌다.[26]
젊은 태양에서 방출되는 항성풍은 원시행성계 원반 내에 있던 모든 가스와 먼지를 성간 공간으로 쓸어냈고, 행성들의 성장은 끝을 맺게 되었다. 원시 태양에 속하는 황소자리 T형 별들은 주계열성들보다 훨씬 강한 항성풍을 발산한다.[27][28]
[편집] 이후의 진화 과정
행성 탄생에 대한 기존의 입장은 행성들은 현재 위치 또는 지금 있는 위치 근처의 궤도에서 생성되었다는 것이었다. 그러나 천문학자들은 20세기 말에서 21세기 초에 걸쳐 이 이론에 근본적인 수정을 가하게 된다. 수정된 이론에 따르면 현재 태양계의 모습과 처음 태양계가 탄생했을 때의 모습은 크게 다르다고 한다. 예를 들어 지금의 내행성 궤도에는 적어도 수성 정도 질량이 되는 원시 행성들이 다섯 개는 존재했으며, 외행성계는 지금에 비해 훨씬 단순한 구도를 보이고 있었다고 한다. 또한 카이퍼 대는 지금보다 훨씬 먼 곳에 존재했었다.[29]
충돌 이론은 현재 태양계의 형성 및 진화 이론에 있어 폭넓게 인정되는 학설이다. 달을 만들었던 충돌 외에도 명왕성-카론계는 카이퍼 대 천체들끼리 부딪혀서 생겨난 결과라고 한다. 소행성 주위를 도는 위성들이나 다른 카이퍼 대 천체들의 경우도 충돌을 겪은 후 생겨난 것으로 받아들여지고 있다. 슈메이커-레비 혜성과 목성이 충돌한 경우나, 애리조나 주에 있는 운석 구덩이 등을 통해 이런 충돌이 실제 있었음이 입증되었다.[30]
[편집] 지구형 행성들
행성 생성 시기의 끝부분에서, 지금의 내행성 궤도에는 50개에서 100개에 이르는 달에서 화성 질량 정도 되는 원시행성들이 가득했다.[31][32] 더 크게 성장하기 위해서는 이들끼리 충돌하고 합쳐지는 것 밖에는 없었으며, 이 충돌 과정은 약 1억 년 동안 지속되었다. 이들 원시행성들은 상호간에 중력적으로 영향을 미쳤을 것으로 보이며, 각자의 공전 궤도를 끌어당기면서 서로 충돌하였으며, 우리가 지금 알고 있는 네 개의 지구형 행성의 크기가 될 때까지 커져 갔다.[21] 한 번의 거대한 충돌로 달이 생겨난 것으로 생각된다. 반면 수성을 강타한 충돌의 경우는 수성의 외포층을 날려 보냈다.[33]
이러한 이론에 있어 풀리지 않은 점이라면, 이 모형은 원시 지구형 행성들의 초기 궤도가 어땠는지를 설명해 줄 수 없다는 것이다. 서로 자주 충돌하기 위해서는 궤도의 이심률이 매우 커야 하는데, 어떻게 지금의 안정적이고도 원에 가까운 궤도로 정착이 되었는가를 설명할 수 있어야 한다.[31] 이렇게 이심률이 작아진 원인을 설명하는 한 이론으로, 지구형 행성들은 태양에서 탈출하지 못한 가스 원반에서 생겨났다는 설이 있다. 이 잔여 가스 내에서 동역학적 마찰이 발생하여 행성들의 에너지를 감소시켰고, 공전 궤도를 원에 가깝게 만들었다.[32] 그러나 만약 이런 가스가 존재했다면 처음 생성 시기부터 암석 행성들의 궤도가 찌그러지는 것을 막았을 것이다.[21] 또 다른 이론으로, 동역학적 마찰은 행성과 잔여 가스 사이에 일어난 것이 아니라 행성들과 남아 있던 작은 천체들 사이에 일어났다는 것이 있다. 행성들이 작은 천체들이 많이 몰려 있는 곳 사이를 헤치고 다니는 과정을 통해, 작은 천체들은 행성 측으로 끌려가면서 밀도가 높은 지대를 형성했고, 이들의 중력으로 큰 천체의 궤도를 보다 안정적인 형태로 바꾸었다는 것이다.[34]
[편집] 소행성대
- 이 부분의 본문은 소행성대입니다.
태양에서 2 ~ 4 천문단위 사이의, 지구형 행성 지대 외곽에 존재하는 부분을 소행성대라고 부른다. 소행성대에는 원래 지구 2 ~ 3개는 만들기에 충분할 정도의 물질이 있었으며, 많은 숫자의 원시행성들이 이 곳에서 생겨났을 것이다. 지구형 행성들과 같이 이 지역에 있던 미행성들은 달에서 화성 정도 질량에 이르는 원시행성 20 ~ 30개 정도로 자라났다.[35] 그러나 태양 탄생 3백만 년 후 목성과 가까운 곳의 소행성대에는 극적인 변화가 일어났다.[31] 소행성대에서는 목성 및 토성과의 궤도공명이 특히 강했고, 보다 질량이 큰 원시행성들과의 중력적 상호 작용으로 많은 미행성들은 공명 현상을 보이면서 흩어졌다. 목성의 중력은 이러한 공명 상태에 있는 천체들의 공전속도를 증가시켜 흩어지게 하여, 서로 뭉치기보다는 충돌하게 만들었다.[36]
목성이 탄생 후 태양에 보다 가까운 곳으로 궤도를 옮기면서, 궤도공명으로 인해 소행성대의 천체들은 흩어졌을 것이며, 동역학적으로 이 지대 내의 천체들의 궤도는 불규칙하게 되었고, 서로에 대한 공전 속도는 올라갔을 것이다.[37] 원시행성들의 궤도공명으로, 소행성대에 존재했던 미행성들은 흩어졌거나 혹은 궤도경사각과 궤도 이심률이 불규칙해졌다.[35][38] 이 원시행성들 중 일부는 목성의 중력에 의해 원래의 궤도에서 이탈하게 되었고, 나머지는 내행성 지대로 궤도를 옮겼으며, 이로 인해 지구형 행성들의 마지막 강착 단계가 이루어진다.[39][35][40] 이 '첫번째 고갈의 시기' 동안, 가스 행성 및 원시행성들은 소행성대에 있던 물질들(대부분 작은 미행성들로 구성되어 있었음)을 현재 지구 질량의 1퍼센트 수준만 남기고 다 흩어버렸다.[38] 그럼에도 아직 이 때 소행성대에는 지금보다 10 ~ 20배는 많은 물질이 존재하고 있었다. 지금 남아 있는 소행성대 물질들의 총 질량은 지구의 2천 분의 1 수준이다.[41] '두번째 고갈의 시기'는 목성과 토성이 일시적인 2대 1 궤도공명(아래 참고)을 보이면서 찾아왔다고 추측되며, 이 때 소행성대에 있던 물질들은 현재 남아 있는 수준을 제외하고 다시 한 번 흩어져 나갔다.
내행성에 거대충돌이 일어나던 시기, 내행성으로 흩어져 날아들어온 소행성 물질들로부터 지구에 물(~6×1021킬로그램)이 공급되었을 것으로 보인다. 물은 휘발성이 강해서 지구가 생겨난 장소에서는 액체 상태로 존재할 수 없었다. 따라서 물은 더 차가운 바깥쪽 궤도에서 온 천체를 통해 공급되었을 것이다.[42] 물은 아마도 목성에 의해 흩어진 소행성대에 있던 작은 미행성 또는 원시행성들에 의해 지구로 운반되었을 것이다.[39] 2006년 발견된 주띠 혜성 집단은 지구에 물을 공급했던 유력한 원천으로 생각된다.[42][43] 반대로 카이퍼대 혹은 더 먼 곳에서 온 혜성들이 지구에 가져 온 물의 양은 현재 지구상 물의 양의 6퍼센트를 넘지 않는다.[44][45] 폭넓게 인정되지는 못하고 있으나, 배종 발달설에 따르면 생명체도 이런 식으로 물과 함께 지구에 도착했을 것으로 보고 있다.[46]
[편집] 외행성
목성과 토성이 2:1 궤도공명 상태가 된 뒤 행성들과 카이퍼 대 천체들은 상호작용을 일으켰으며, 이로 인해 가스 행성들의 궤도 및 자전축 기울기는 초기의 정형적인 모습에서 벗어나 다양해졌다. 천왕성과 토성은 목성과의 상호 작용을 통해 현재 위치에 자리잡게 되었으며, 해왕성은 카이퍼 대와의 상호 작용을 통해 현재의 위치에 자리잡게 되었다. 카이퍼 대가 흩어져 있는 양상을 통해, 약 40억 년 전에 후기 대충돌이 일어났음을 알 수 있다.[47]
[편집] 카이퍼 대, 오르트 구름, 후기 대충돌
- 이 부분의 본문은 후기 대충돌입니다.
카이퍼 대는 원래 뭉쳐서 한 천체를 구성할 질량을 지니지 못하는, 얼음 천체가 가득한 지대였다. 카이퍼 대의 초기 안쪽 경계선은 당시 천왕성과 해왕성이 생성되었던 장소에서 근소하게 바깥쪽인 태양에서 15 ~ 20천문단위 부근이었다. 바깥쪽 경게선은 대충 30천문단위 정도였다. 초기의 카이퍼 벨트에 있던 물질들은 외행성 궤도로 유입되었으며, 이로 인해 가스 행성들이 초기 생성 위치에서 자리를 옮기게 되었다.[48]
태양풍이 원시행성계원반에 있던 가스를 쓸어낸 뒤, 많은 숫자의 미행성들이 어떤 행성체 주변에도 강착되지 않은 채로 남게 되었다. 이들 미행성 무리는, 행성 강착 시간이 너무 길어서 가스 물질이 날려가기 전까지도 행성이 생겨날 수 없었던 곳인, 외행성 바깥쪽에 있었을 것으로 생각된다. 가장 바깥쪽에 있던 가스 행성은 이 '미행성의 바다'와 상호 작용을 일으켜, 이들 작은 돌덩어리들을 안쪽으로 끌고 들어오는 동시에 자신은 바깥쪽으로 이동하였다. 이들 미행성은 그 다음으로 만난 행성의 궤도를 같은 식으로 바꾸어 놓고 자신들은 안쪽으로 이동했다.[49]
궁극적으로 앞서 설명한 목성-토성의 2대 1 궤도공명으로 인해 천왕성과 해왕성은 미행성 천체들 대부분을 흩어 놓으면서 카이퍼 대로 팽개쳐지게 되었다. 이들 미행성 중 상당수는 안쪽으로 흩뿌려졌고, 목성과 상호작용하여 대부분이 크게 찌그러진 궤도를 돌거나 혹은 태양계를 완전히 이탈했다. 타원 궤도를 형성하게 된 천체들은 오르트 구름의 형상을 이루었다.[50] 좀 더 태양에 가까웠던 미행성들 일부는 해왕성 바깥 궤도로 뿌려졌고 산발 원반을 형성했으며, 이는 현재 카이퍼 대의 질량이 작은 이유를 설명해 준다. 그러나 명왕성을 포함한 많은 수의 카이퍼 대 천체(KBO)들은 해왕성의 공전 궤도와 중력적인 균형을 맞추게 되었으며, 궤도 공명을 이루게 되었다.[51] 지구를 폭격했던 미행성들은 지구에 물과 기타 수소 화합물을 공급한 원천이다.[52] 널리 인정받는 학설은 아니지만, 일부 천문학자들은 생명체가 이들 미행성에 실려 지구에 도착했다고 믿고 있다. 이를 외계생명체 유입설(범종설, 포자설)로 부른다.[53]
이러한 시기를 '대충돌'의 시기로 부르며, 폭격은 수 억 년간 계속되었다. 폭격의 흔적은 현재 지질학적으로 죽은 천체 표면의 크레이터들을 통해 알 수 있다. 이러한 격렬한 미행성들 및 원시 행성들 사이의 충돌은 비정상적인 위성들, 위성의 궤도, 공전면 기울기, 기타 불규칙한 궤도 요소들을 설명해 준다. 달이나 수성 표면의 충돌구 투성이 지형도 대충돌 이론으로 자연스럽게 설명할 수 있다.[54]
태양계 외곽 천체들의 진화는 근처의 초신성 폭발이나 성간 구름 통과를 통해 이루어진 것으로 추측된다. 외곽 천체들의 표면은 태양풍, 미세 운석들, 성간 물질 내 중성 원소들의 지속적인 작용과, 초신성 폭발이나 마그네타 폭발(항성 지진으로도 불린다)과 같은 갑작스러운 사건에 의해 우주 풍화를 겪었을 것이다.[55]
스타더스트 탐사선이 혜성 와일드 2에서 채취한 시료를 통해, 태양계 생성 초기 태양에서 가까운 곳에 있었던 물질들이 시간이 흐르면서 태양계 외곽 카이퍼 대 지역으로 이동했음이 밝혀졌다.[56]
[편집] 자연 위성들
행성과 천체 주위를 도는 대부분의 자연 위성들은 그들의 주인과 함께 태양계의 탄생 시절부터 계속 존재했었다. 이들 위성은 다음 세 가지 시나리오 중 한 방법을 통해 형성되었다.
- 행성 주위에 형성되어 있던 원반에서 생겨났다.(이는 가스 행성들의 경우에 적용된다.)
- 얕은 각도로 한 천체가 더 큰 다른 천체에 충돌하여 그 파편이 뭉쳐서 생겨났다.
- 지나가던 천체가 더 큰 천체의 중력에 붙잡혔다.[57]
목성과 토성이 비교적 가까운 궤도 내에 거느리고 있는 위성들은, 태양계 생성 시기 행성 주위에 형성되어 있던 원반에서 생겨난 것으로 보인다. 이들 위성이 덩치가 크고 어머니 행성에 가까이 위치하고 있음을 통해 생성 원리를 추측할 수 있다. 이런 천체들은 포획 이론으로는 설명할 수 없으며, 가스 행성들의 조성을 생각하면 충돌 이론도 가능성이 없다. 반면 가스 행성들에서 먼 곳을 돌고 있는 위성들은 크기가 작고 궤도도 찌그러져 있거나 제멋대로이다. 이런 특징을 통해 이들이 중력에 의해 붙잡혔음을 알 수 있다.[58]
태양에서 가까운 암석 행성들 및 기타 단단한 천체들의 경우, 이들의 위성은 충돌 사건을 통해 주로 생겨난 것으로 보인다. 충돌로 인해 원래 천체에 있던 일정 질량이 우주 공간으로 탈출했으며, 이 물질들이 일정 궤도상에서 뭉쳐서 한 개 이상의 위성이 되었다. 학자들은 지구의 달이 이런 식으로 생겨났을 것으로 믿고 있다.[59]
[편집] 성운 이론에 대한 논쟁들
칸트와 라플라스가 주창했던 성운 이론은 19세기 말 제임스 클라크 맥스웰에 의해 비판을 받게 된다. 그는 만약 지금의 행성들을 만들었던 물질들이 원반 형태로 태양 주위에 널려 있었다면, 차등 회전력 때문에 미행성 조각들이 행성들로 뭉쳐 자라날 수 없다고 주장했다. 1940년대에 성운 이론은 모순점을 해결하기 위해 이론을 수정하게 되었다.
[편집] 각운동량
태양이 칸트-라플라스 모형에서 가정한 것보다 작은 각운동량을 지니고 있다는 것은 수수께끼 중 하나였다. 이후 여러 이론들은 이 모순을 해결할 목적에서 수정이 가해졌다. 예를 들면 초기의 원시 행성 질량은 더 컸으며, 각운동량의 불일치는 자기장 때문이라는 것이 있다. 황소자리 T 항성들에서 관측되는 것처럼, 젊은 태양은 일부 각운동량을 원시행성계 원반과 미행성들에게 알페인파의 형태로 전달했다는 것이다.[60]
그러나 각운동량에서 다른 문제점이 발생한다. 기존 이론에 따르면 회전하는 성운 중앙부에 대부분의 질량이 몰려 있었기 때문에 대부분의 각운동량은 중심부에 집중되었어야 한다. 그러나 태양의 자전은 예상치보다 훨씬 느리며, 행성들의 질량은 태양계 전체의 1퍼센트에 미치지 못함에도 각운동량은 90퍼센트 이상을 차지하고 있다. 이 모순점에 대한 설명으로, 초기 원시행성계원반이 중앙부의 원시 태양의 자전 속도에 제동을 걸어 느리게 만들었다는 것이 있다.[61]
[편집] 외계 행성
성운 모형은 전적으로 태양계를 관찰한 결과에 기반하여 수립된 이론이다. 그 이유는 1990년대 중반까지 인류가 알고 있는 행성계는 우리 태양계가 유일했기 때문이다. 원시행성계 원반이나 외계 행성들이 지속적으로 발견되었지만, 천문학자들은 성운 모형을 자신있게 다른 외계 행성계에 적용하지는 못했다.[62] 2008년 3월 기준으로 존재가 검증된 외계 행성은 280여 개에 이른다.[63] 기존의 성운 모형으로는 외계 행성들의 양상을 설명하기가 곤란했으며, 새로운 이론이 등장했다.
천문학자들은 허블 우주 망원경을 이용하여 오리온 성운 내에 있는 항성 성운 및 원시행성계 원반들을 관측했다. 이들 중 몇몇은 지름이 1천 천문단위에 이른다.[64]
[편집] 이동
최근 발견되고 있는 외계 행성들은 질량이 목성 정도이거나 그 이상인 경우가 대부분이다. 그런데 이들은 어머니 항성에서 매우 가까운 궤도를 돌고 있다. 이런 행성들의 자전 주기는 매우 짧고 대기는 항성에서 나오는 뜨거운 열 때문에 서서히 우주 공간으로 탈출한다. 이런 거대 가스 행성들이 왜 항성에 가까이 붙어 돌고 있는지를 명확히 설명하는 학설은 없으나, 가장 선호받는 것은 ‘행성 이동’ 이론이다.
‘엉뚱한 곳’에 있는 행성들은 태양 성운 모형에 있어서 골칫거리이다. 천왕성과 해왕성은 태양 성운의 농도가 매우 낮고 공전주기가 긴 바깥쪽 궤도를 돌고 있는데, 이는 성운 모형에 따르면 모순된 결과이다. 게다가 최근 발견된 ‘뜨거운 목성들’은 성운 모형에 따르면 행성이 생겨날 수 없는 곳, 즉 항성에서 아주 가까운 곳에 있다. 행성 이동 이론은 이 모순된 상황을 설명해 준다. 예로써, 천왕성과 해왕성은 처음 생겨날 때 지금보다 태양에 가까이 있었으나(행성의 재료가 될 물질이 지금의 궤도보다 많았던 곳), 시간이 흐르면서 점차 바깥쪽으로 위치를 바꾸게 되었다고 한다. 마찬가지로 가스 행성은 원래 항성에서 멀리 떨어진 곳에서 생겨났으나, 이후 원시행성계 원반의 짙은 수소, 헬륨 가스와 행성이 마찰을 일으켜, 항성 근처로 행성이 이동했다고 설명한다.
[편집] 경사각
행성들의 세부적인 특징들은 또 다른 의문거리이다. 태양 성운 이론에 따르면 모든 행성들은 정확히 황도면 위에서 생겨나야 한다. 그러나 실제로 8행성들은 작은 수치이기는 하나 황도면에 대해 다양한 각도로 기울어진 궤도를 돌고 있다. 또한 이론상으로 행성들의 자전축 및 위성들의 궤도는 황도면과 일치해야 한다. 그러나 대부분의 가스 행성들은 황도면에 대해 뚜렷하게 기울어진 모습을 보여 주고 있다. 예를 들면 천왕성은 자전축이 98도 기울어져 있다.[65] 또 다른 의문거리는 지구에 비해 달의 질량이 너무 크다는 것이다. 또한 여러 위성들은 어머니 행성을 불규칙하게 공전한다. 현재 이와 같은 모순점들에 대한 설명으로 가장 유력한 것은, 태양계 구성원들이 생성된 뒤 후천적으로 일어난 사건들에 의해 지금의 불규칙한 모습이 형성되었다는 것이다.[66]
[편집] 기타 이론들
수십년 동안 많은 천문학자들은 제임스 진즈가 주장한 ‘조석’ 또는 ‘근충돌’ 이론을 선호해 왔다. 그의 이론에 따르면 행성들은 다른 항성이 태양에 접근했기 때문에 생겨났다고 한다. 이러한 타 천체의 접근으로 인해 많은 양의 물질이 태양과 상대 천체의 상호 조석력으로 인해 흘러 나왔으며, 이 물질들이 행성으로 뭉치게 되었다는 것이다[67]. 조석·근충돌 이론을 비판하는 목소리도 있었는데, 대표적인 학자는 미국의 헨리 노리스 러셀이었다. 그는 외행성들의 각운동량이 커서 태양에게 흡수되지 않았음을 고려할 때 상기 이론은 문제를 지니고 있다고 주장했다.
최근 몇 년 사이 포획 이론으로 불리는 대안이 제기되었다. 이 이론은 태양 근처를 지나던 천체의 중력이 태양의 물질들을 밖으로 끌어냈으며 이 물질들이 식으면서 행성으로 자라났다고 한다. 이 모형은 기존의 성운 이론으로 설명할 수 없었던 현상을 해결하고 있다고 평가되기도 한다. 그러나 포획 이론은 태양과 행성들의 나이가 다르다고 주장하는데 반하여, 실제 태양과 나머지 행성들이 거의 동시에 생겨났음은 여러 증거 및 폭넓게 인정받는 이론들을 통해 입증된 사실이다.[68]
[편집] 미래
떠돌이 블랙 홀이나 다른 항성이 태양계 근처에 오는 등 뜻밖의 사태가 발생하지 않는다면, 우리가 알고 있는 지금의 태양계는 태양이 주계열성 단계를 떠나기 전까지 존속할 것이다. 그러나 그 이전에도 시간의 흐름에 따라 태양계는 진화하고 있다.
[편집] 장기적 안정성
태양계는 행성들의 궤도가 장기적으로 볼 때 변화 가능성이 있다는 점에서, '혼돈 상태'이다. 대표적인 예로 해왕성과 명왕성을 들 수 있다. 이 둘은 3:2의 궤도공명 비율을 보이면서 태양을 공전하고 있다. 이 공명 비율이 앞으로 계속 안정적으로 지속이 되더라도, 현 수단으로 두 행성의 궤도를 정확히 예측할 수 있는 한계는 지금부터 1천만 년 ~ 2천만 년 후까지이다.(이를 리아프노프 시간이라고 부른다)[69] 태양계의 모든 천체들은 제각기 다양한 리아프노프 시간을 지닌다.(2백만 년 ~ 2억 3천만 년) 태양계 행성들의 궤도는 시간이 지날수록 혼돈 상태에 가까워진다.[70] 이는 어떤 행성의 궤도가 종국적으로 어떻게 될지는 아무리 정확한 예측 기구를 이용해도 추측이 불가능하다는 의미이다. 예를 들면 겨울과 여름이 오는 시기를 정확히 계산할 수 없는 것과 같은 이치이다. 일부 천체들의 경우 궤도에 갑작스러운 변화가 올 가능성도 있다. 이러한 혼돈은 이심률의 변화를 통해 가장 강하게 드러난다. 일부 행성들의 궤도는 더욱 크게 찌그러지거나, 또는 원형에 가깝게 변할 수도 있다.[71]
태양계는 궁극적으로는 다가오는 수십억년 동안 어떤 행성도 태양계에서 이탈할 가능성이 없고, 서로 충돌할 가능성이 없다는 점에서, '사실상 안전한 상태'이다. 그러나 그 이후의 경우 50억 년 내로 화성의 이심률이 0.2까지 커져서 지구와 공전 궤도가 엇갈리게 되어 서로 충돌할 가능성이 있다. 같은 시기 내 수성 이심률이 지금보다 커져서 금성 궤도 근처까지 접근하여, 수성이 태양계에서 완전히 이탈할 가능성도 존재한다. 대신 이 두 현상 모두 일어나지 않을 수도 있다. 내재된 혼돈상태는 오직 '가능성'만을 의미하기 때문이다.
[편집] 태양의 진화 및 행성 환경
- 항성 진화 문서를 참고하십시오.
먼 미래 태양이 나이를 먹으면서 진화하면, 태양계에는 큰 변화가 일어날 것이다. 태양이 가지고 있던 수소를 거의 다 태우면, 남아 있는 연료를 태우면서 내부 온도는 더 뜨거워지며, 연료를 태우는 속도는 더욱 빨라진다. 그 결과 태양은 11억 년마다 10퍼센트씩 밝아진다. 지금으로부터 10억 년 내 태양의 복사량이 증가하면서 생물권은 지금보다 바깥쪽으로 물러날 것이며, 지구 표면은 가열되어 생명체가 살 수 없는 환경으로 변할 것이다. 이 시점에서 깊은 바다에 사는 생명체들을 제외한 육상 생명체들은 전멸한다. 11억 년에서 35억 년 후, 지구 표면은 현재 금성과 비슷한 운명을 맞게 될 것이고 모든 생명체(우리가 알고 있는 형태)들은 살아남지 못할 것이다. 한편 화성의 표면 온도는 서서히 상승하며 지표 흙 속에 얼어 있던 이산화탄소 및 물은 기체로 변하여 대기를 이루게 되며, 온실 효과를 일으켜 장차 생명체가 살 수도 있을지 모르는, 현재 지구와 비슷한 온도를 조성하게 된다.
약 54억 년 후, 태양 중심핵에 있던 모든 수소 연료는 헬륨으로 치환된다. 이제 중심핵은 더 이상 중력 수축을 견딜 수 없게 되며 수축하기 시작한다. 중심핵이 수축하면서 중심핵 바깥쪽이 수소를 태울 정도로 가열된다. 이 과정이 심화되면서 태양의 외곽층은 막대하게 부풀어 오르게 되며, 적색 거성으로 불리는 진화 단계에 접어들게 된다. 75억 년 후 태양의 외곽층은 1.2천문단위(지금 태양 반지름의 256배)까지 팽창할 것이다. 이 단계는 적색거성가지로, 팽창한 만큼 표면 온도는 2600켈빈까지 내려가서 붉은 색으로 빛나게 되며, 밝기는 지금의 2700배까지 올라간다. 태양은 적색 거성 단계에서 항성풍 형태로 원래 지녔던 질량의 3분의 1을 날려보낸다. 태양은 적색 거성 단계에서 약 10억 년 머무를 것으로 추측된다.
태양이 팽창하면서 수성과 금성은 태양으로 빨려 들어간다. 지구의 운명은 확실하지 않다. 태양의 크기가 지금의 지구 궤도까지 팽창되더라도, 그 때 태양은 이미 질량을 많이 잃은 상태이기 때문에 지구는 뒤로 물러나서 파국을 면할 것이라는 설이 있다. 그러나 태양의 기조력 때문에 지구는 결국 태양으로 흡수될 것이라는 증거도 제시되고 있다. 태양이 밝아짐에 따라 토성의 위성 티탄 표면은 액체 물이 존재할 정도까지 가열될 것이며 간단한 생명체가 탄생할 가능성이 있다.
내부 층에서 생산된 헬륨이 중심핵으로 모이면서, 중심핵 부분의 밀도는 헬륨이 탄소 융합 작용을 할 수 있는 수준까지 증가한다. 이 단계에서 헬륨 섬광 현상이 발생하며, 태양은 핵융합 재료들이 중심핵으로 가라앉으면서 갑작스럽게 수축하여 주계열성 시절보다 약간 큰 정도까지 반지름이 줄어든다. 헬륨 연소 단계는 1억 년 정도만 지속된다. 종국적으로 항성은 다시 바깥쪽 층으로 연료를 태우는 장소를 옮기게 되는데, 이로 인해 항성의 부피는 다시 확장되면서 점근거성가지 단계로 돌입한다. 이 단계는 1억 년 이상 지속되며 이후 10만 년 이상의 기간동안 태양의 외곽층은 대량의 물질을 우주 공간으로 뿌리면서 행성상 성운으로 불리는 헤일로를 형성하면서 떨어져 나가게 된다.[72]
그러나 이는 초신성과는 달리 상대적으로 조용한 최후이다. 태양은 질량이 작아서 초신성이 될 수 없다. 우리 지구인들이 만약 이 때까지 생존해 있다면, 태양풍의 속도가 막대하게 증가한 것을 지켜보게 될 것이다. 그러나 이 태양풍은 지구를 소멸시킬 정도로 강력하지는 않다. 종국적으로 태양은 백색 왜성으로 진화한다. 백색 왜성은 밀도가 매우 높아서 질량은 원래 태양의 절반 정도이나, 부피는 지구와 비슷할 것이다. 백색 왜성은 처음에는 지금의 태양보다 백 배 더 밝지만, 핵융합 반응을 발동시키기에는 질량이 작기 때문에 서서히 식으면서 점점 어두워진다.[73]
태양이 죽어가는 과정에서 행성, 혜성, 소행성들에 미치는 중력은 점차 약해진다. 살아남은 행성들 전부 현재 궤도보다 뒤로 물러날 것이다. 예를 들면 만약 지구가 그때까지 살아남을 경우 1.85 천문단위까지 물러나며 화성은 2.8 천문단위 정도를 돌 것이다. 모든 행성들은 어둡고 얼어붙은, 생명체가 살 수 없는 환경이 될 것이다. 행성들은 태양 주위를 계속 돌지만, 공전 궤도가 커졌기 때문에 공전 속도는 느려진다. 20억 년 후 태양의 표면 온도가 6,000~8,000켈빈까지 냉각되면서, 태양 중심핵에 있는 탄소 및 산소도 온도가 떨어진다. 그 결과 태양 원래 질량의 90퍼센트 정도가 결정체 구조로 된다. 수 조 년이 흐른 후 태양은 더 이상 빛을 내지 않는 흑색 왜성이 되어 시야에서 사라질 것이다.
[편집] 위성 및 고리
위성계(系)들의 진화는 기조력에 의해 이루어진다. 위성은 처음 태어날 때 스스로의 중력으로 팽대부가 발달하게 된다.
만약 위성이 행성의 자전 방향과 같은 방향으로 돌면서, 행성의 자전 속도가 위성의 공전 속도보다 빠를 경우, 팽대부는 위성 쪽으로 꾸준하게 끌려온다. 그 결과 위성은 에너지를 얻게 되며 어머니 행성에서 천천히 바깥쪽으로 이탈하게 된다. 이 상황으로 인해 어머니 행성의 자전 속도도 시간이 갈수록 느려진다. 이 현상의 예로 지구와 달이 대표적이며, 다른 예로는 목성의 갈릴레이 위성 및 목성[74], 토성의 다수의 작은 위성들이 있다. [75]
두번째 경우는 위성이 행성의 자전 속도보다 빠르게 공전을 하거나, 행성의 자전 방향과 반대로 공전을 하는 경우이다. 이 경우 조석 팽대부는 위성의 공전 궤도 뒤쪽에만 생기는 것으로 끝난다. 위성은 나선을 그리면서 점차 행성으로 다가가게 되고, 행성 표면에 충돌하거나 조석력에 의해 산산조각이 나게 된다. 이러한 운명을 맞게 되는 후보로는 화성의 위성 포보스, 목성의 위성 메티스와 아드라스테아, 해왕성의 위성 트리톤이 있다.[76][77]
세번째 경우는 위성과 행성이 조석 고정이 된 상태이다. 여기서 조석 팽대부는 정확하게 위성의 아래에 존재하며 공전 주기는 바뀌지 않는다. 명왕성과 카론이 이런 상태의 대표적 예이다.[78]
카시니-하위헌스 탐사선이 토성의 고리를 조사하기 전까지 천문학자들은 고리의 나이가 태양계의 생성 역사보다 훨씬 짧은 것으로 보았으며, 앞으로 3억 년 정도밖에 유지되지 못할 것으로 예상했었다. 토성 위성들의 중력으로 고리의 바깥 테두리가 행성 쪽으로 이동하며, 결국에는 토성의 인력과, 자신들끼의 충돌 및 마모로 인해 고리가 사라지고 토성은 목성처럼 밋밋한 가스 구체만 남을 것으로 보아 왔다.[79] 그러나 카시니 호가 보내 온 데이터는 이 가설을 전면 수정하게 만들었다. 관측 결과 10킬로미터 크기의 얼음 덩어리들은 반복적으로 깨졌다가 뭉쳐지는 작용을 반복하면서, 고리의 얼음 물질들을 신선하게 유지하고 있었다. 토성의 고리는 다른 가스 행성들의 고리에 비해 훨씬 더 질량이 크며, 이처럼 큰 규모의 고리 구조는 토성이 처음 생겨났던 45억 년 전부터 존속되어 온 것으로 보인다. 또한 고리는 앞으로 다가오는 수십억 년 후까지 모습을 유지할 가능성이 크다.[80]
[편집] 연대표
태양계의 시간표는 방사연대측정을 이용하여 추측해 왔다. 과학자들은 태양계의 나이가 약 46억 년이라고 측정하고 있다. 지구상의 가장 오래 된 광물 조각들의 나이는 약 44억 년이다.[81] 지구 표면은 꾸준히 풍화, 화산, 지각 변동에 의해 씻겨 나가고 변하기 때문에 이처럼 오래 된 암석들은 드물다. 태양계의 나이를 측정하기 위해서 과학자들은 운석을 사용한다. 이들 운석은 태양 성운이 압축될 당시에 생겨난 것들이다. 거의 모든 운석들(캐넌 디아블로 운석 문서를 보십시오)의 나이가 46억 살이기 때문에, 태양계의 나이 역시 적어도 이 정도는 될 것으로 추측된다.[82]
다른 별들 주위의 원반에 대한 연구를 통해 태양계 형성의 시간표를 수립하는 데 많은 자료를 얻을 수 있었다. 100 ~ 300만 년 사이 연령의 별들은 가스가 풍부한 원반을 가지고 있었음에 반해, 1천만 년 이상 나이의 별들 주위에는 거의 가스가 없었다. 이는 이들 주변에는 행성의 생성 과정이 멈췄음을 뜻한다.[21]
[편집] 태양계 진화 시각표
주의: 이 연대표에 있는 모든 날짜와 시간은 근사값이며, 10의 거듭제곱 형태로 표시하였다.
| 단계 | 태양 생성으로부터의 시간 | 사건 |
|---|---|---|
| 전(前) 태양계 | 태양계가 생기기 수십억 년 전 | 먼저 태어났다가 죽음을 맞은 별들이, 지금의 태양을 만들 재료가 될 무거운 원소들을 성간 매질의 형태로 방출했다.[12] |
| 태양계 생성 ~5×107년 전 | 오리온 성운과 비슷한 항성 생성 지대에서 가장 무거운 별들이 태어나서 살아가다가 죽고 초신성 폭발을 일으켰다. 초신성 한 개가 아마도 태양계의 형성에 발동을 걸었을 것이다.[7][8] | |
| 태양의 탄생 | 0–1×105 년 | 전태양 성운이 생겨나고 붕괴되기 시작했다. 태양이 형성되기 시작한다.[21] |
| 1×105–5×107 년 | 태양은 황소자리 T 항성(원시별) 상태이다.[13] | |
| 1×105–7 년 | 가스 행성들이 생겨났다. 107 년 후 원시행성계원반에 있던 가스들은 불려 날아가고, 외행성들의 생성은 거의 마무리된다.[21] | |
| 1×107–8 년 | 지구형 행성들과 달이 생겨났다. 거대 충돌이 일어난다. 물이 지구에 공급된다.[45] | |
| 주계열성 | 5×107 년 | 태양은 주계열성의 단계에 접어든다.[18] |
| 2×108 년 | 지구상에 있는 가장 오래 된 암석들이 생겨났다.[81] | |
| 5–6×108 년 | 목성과 토성 궤도의 공명으로 인해 해왕성이 카이퍼대로 궤도를 옮긴다. 내행성계 지대에서는 후기 대충돌이 발생한다.[45] | |
| 8×108 년 | 지구상에 가장 오래 된 생명체가 등장한다.[83] | |
| 4.6×109 년 | 현재. 태양은 주계열성 상태를 유지하고 있으며, 109년마다 10퍼센트씩 뜨거워지고 밝아진다.[84] | |
| 6×109 년 | 태양 주변의 생명체 거주가능영역이 지구의 궤도 바깥으로 벗어나, 화성 궤도상으로 이동한다.[85] | |
| 7×109 년 | 우리 은하와 안드로메다 은하가 충돌하기 시작한다. 태양계는 두 은하가 완전히 합치기 전 안드로메다 은하에 포획될 약간의 가능성이 있다.[86] | |
| 후주계열 단계 | 10–12×109 년 | 태양 중심부에 있던 수소가 고갈되고 주계열성 단계는 끝난다. 태양은 헤르츠스프룽-러셀 도표 상에서 거성가지 단계로 진입하기 시작하며, 엄청나게 밝아지고(현재의 2,700배) 부풀어 오르며(현재 태양 반지름의 250배) 표면 온도는 내려간다(약 2,600켈빈까지). 태양은 적색 거성이다. 수성, 금성 혹은 지구까지 태양으로 빨려 들어간다.[87] |
| ~12×109 년 | 태양은 헬륨 연소 수평가지 및 점근거성가지 단계를 통과한 뒤 총 질량의 30퍼센트를 잃어버린다. 점근거성가지 단계는 태양의 물질들이 행성상 성운 형태로 방출되면서 끝나며, 중심부에는 백색 왜성이 남는다.[87][88] | |
| 태양의 잔해 | >12×109 년 | 백색 왜성이 된 태양은 더 이상 에너지를 생산하지 않으며, 온도는 서서히 내려가고 어두워진 뒤, 결국 흑색 왜성 단계에 이른다.[89][90] |
| 1015 년 | 태양은 5켈빈까지 식는다.[91] 주변을 지나가는 항성이 행성을 궤도에서 이탈시킨다. 태양계는 종말을 맞는다.[92] |
