지금의 태양계는 수많은 충돌 끝에 남은 자리였다

현재 우리가 바라보는 태양계는 오래전부터 거의 완성된 상태로 유지되어 온 안정적인 공전 배치처럼 보인다. 행성들은 일정한 거리 안에서 공전을 반복하고 있고, 밤하늘 역시 크게 달라지지 않는 질서를 유지하는 것처럼 느껴진다. 그래서 태양과 행성들이 처음부터 지금과 비슷한 형태로 존재했을 것이라고 생각하게 되는 경우도 적지 않다. 하지만 어린 별 주변에서 촬영된 원시 행성계 원반 관측 장면을 따라가다 보면 과거의 태양계는 지금과 전혀 다른 인상 안에 놓여 있었다는 사실이 함께 드러난다. 먼지 입자들은 끊임없이 서로 부딪히고 있었고, 작은 덩어리들은 합쳐졌다가 다시 흩어지기를 여러 차례 반복했다. 일부는 거대한 행성으로 성장했고, 일부는 훨씬 먼 공간으로 밀려났다. 오늘날 안정적으로 보이는 공전 배치 역시 그런 부딪힘과 회전, 중력 교란이 아주 긴 우주 규모 변화 속에서 누적된 뒤에야 겨우 자리를 잡게 된 결과에 가까웠다. 먼지 입자들이 서로 부딪히며 오늘의 태양계로 남게 된 기록을 따라가다 보면, 지금은 조용해 보이는 행성 자리 역시 한때는 끝없이 파편 이동과 교란이 이어지던 초기 우주 장면 위에서 만들어지고 있었다는 사실까지 함께 떠오르기 시작한다.

 

현재의 공전 배치는 너무 조용하게 정리된 형태에 가까웠다

오늘 우리가 바라보는 행성계는 상당히 안정적인 인상에 가까웠다. 수성부터 해왕성까지 이어지는 공전 배치는 오랜 기간 거의 같은 간격을 유지하고 있었고, 거대한 부딪힘 장면 역시 쉽게 발견되지 않았다. 밤하늘을 오래 바라보고 있어도 가장 먼저 눈에 들어오는 것은 반복되는 공전 리듬이었다. 일정한 거리와 방향 안에서 움직이는 모습을 보고 있으면 지금 자리가 처음부터 어느 정도 정리된 상태로 존재했던 것처럼 느껴지기도 했다. 하지만 초기 우주 관측 기록들을 나란히 비교해 보면 과거의 모습은 지금과 상당히 달랐다. 안정적으로 보이는 현재 배치 뒤에서는 수많은 교란과 분산, 중력 변화가 아주 긴 우주 규모 변화 안에서 자주 반복되고 있었다. 지금처럼 조용한 공전 풍경만 바라보고 있으면 그런 과거 장면까지는 쉽게 상상되지 않는 순간도 있었다.

다른 별 주변에서는 태양계 초기와 비슷한 먼지 원반이 아직도 남아 있었다

천문학자들은 ALMA 전파망원경 같은 관측 장비를 통해 어린 별 주변을 꾸준히 촬영하고 있다. 공개 사진 안에서는 거대한 먼지 원반이 별 주변을 천천히 회전하고 있는 경우가 자주 등장했다. 처음 관측 장면을 보면 단순한 가스 띠처럼 느껴질 수도 있다. 그런데 확대 촬영 결과를 따라가다 보면 원반 사이에 이상하게 비어 있는 간격들이 눈에 들어오기 시작한다. 일부 연구팀은 그 빈 공간 주변에서 초기 행성이 만들어지고 있을 가능성을 함께 검토하고 있다. 미세한 입자들이 서로 부딪히며 조금씩 더 큰 덩어리로 성장하고 있다는 계산 결과 역시 여러 차례 공개되고 있었다. 완전히 정돈된 형태라기보다는 아직 자리를 찾지 못한 물질들이 복잡하게 섞여 움직이는 인상에 가까웠다. 원시 원반 사진을 오래 보고 있으면 현재 기준으로는 안정적으로 보이는 행성 자리 역시 원래는 저런 혼란 안에서 출발했다는 사실이 이전과 조금 다르게 보이기도 했다. 흐트러진 채 남아있는 먼지 띠 화면이 괜히 오래 기억에 남는 날도 있었다.

현재 행성들은 오랜 부딪힘이 누적된 결과에 가까웠다

초기 행성 환경 안에서는 지금보다 훨씬 많은 천체들이 서로 가까운 거리에서 움직이고 있었다고 추정된다. 작은 미행성체들은 자주 부딪혔고, 일부는 서로 합쳐지며 더 큰 천체로 성장했다. 반대로 강한 충격 때문에 완전히 부서지거나 바깥 방향으로 밀려나는 경우도 있었다. 지구 역시 형성 초기 단계에서 여러 차례 거대한 교란을 겪었을 가능성이 높다고 분석된다. 현재 가장 널리 알려진 달 형성 이론 역시 거대한 파편 이동 뒤에 튀어나온 물질이 다시 모였다는 계산을 바탕으로 설명되고 있다. 목성처럼 질량이 큰 행성은 주변 천체 궤도에도 큰 영향을 남겼다. 일부 물질은 안쪽 방향으로 이동했고, 일부는 훨씬 먼 거리까지 밀려났다. 오늘날 안정적으로 보이는 공전 배치 역시 처음부터 완성되어 있던 상태라기보다 오랜 충격 흔적이 천천히 누적된 결과에 가까웠다. 충돌 시뮬레이션 자료를 보고 있으면 행성 형성 과정이 예상보다 훨씬 복잡한 역사처럼 느껴지기도 한다. 

태양 가까운 곳과 먼 곳에서는 전혀 다른 행성들이 만들어졌다 

행성이 형성되던 초기 원반 안에서는 거리마다 온도가 크게 달랐다. 안쪽 영역은 매우 뜨거웠고, 바깥 방향으로 갈수록 차가운 공간이 넓게 퍼져 있었다. 그 차이는 행성 형태에도 그대로 영향을 남겼다. 뜨거운 안쪽에서는 물이나 메탄 같은 휘발성 물질이 오래 남기 어려웠다. 그래서 수성이나 금성, 지구, 화성처럼 암석과 금속 중심 행성이 자리 잡게 됐다. 반면 바깥 영역은 훨씬 낮은 온도를 유지하고 있었다. 얼음 물질과 가스가 비교적 안정적으로 남아 있었고, 그 결과 목성과 토성 같은 거대한 가스 행성이 형성될 수 있었다. 같은 원반 안에서 출발했는데도 거리 차이 하나 때문에 전혀 다른 종류의 행성들이 자리 잡게 된 셈이다. 행성 사진을 나란히 놓고 보다 보면 현재 우리가 보는 행성계 역시 단순한 우연이라기보다 환경 차이가 오랜 기간 누적된 결과처럼 인상이 달라지는 순간도 맞이하게 된다.

태양계 바깥에는 초기 충돌 잔해가 지금도 천천히 이동 중이었다 

행성 형성이 어느 정도 마무리된 뒤에도 모든 물질이 완전히 사라진 것은 아니었다. 일부 잔해는 소행성대나 카이퍼 벨트 같은 영역에 아주 오랫동안 남게 됐다. 혜성과 운석 역시 그런 초기 물질 일부가 보존된 사례에 가까웠다. 운석 분석 자료를 보면 초기 행성 환경 성분이 비교적 오래 유지된 경우도 자주 확인된다. 천문학자들은 이런 물질 안에서 초기 행성 환경 단서를 찾으려 하고 있다. 카이퍼 벨트 바깥을 천천히 이동하는 천체 화면을 보고 있으면 행성 형성 이야기가 이미 완전히 끝난 과거처럼만 느껴지지는 않았다. 오래 남은 잔해들이 이 시기에도 초기 부딪힘 자국 일부를 계속 보관하고 있는 인상을 남기고 있었다. 느리게 이동하는 작은 천체 표시를 괜히 한동안 확대해서 묘하게 오래 바라보게 되기도 했다. 작은 점 하나가 왜 그렇게 천천히 움직이는지 확인하려고 날짜를 바꿔 가며 같은 화면을 다시 열어 본 적도 있었다. 

익숙한 공전 배치처럼 보여도 형성 계산은 아직 같은 결론에 도달하지 못했다 

오늘날 천문학자들은 외계행성 자료를 바탕으로 행성 형성 모델을 꾸준히 수정하고 있다. 예상보다 훨씬 가까운 거리에서 공전하는 거대 행성이 발견되기도 하고, 매우 불규칙한 궤도를 가진 형태가 나타나는 관측결과도 있었다. 새로운 자료가 공개될 때마다 기존 형성 모델 역시 조금씩 다시 조정되고 있었다. 우리가 보는 행성계 안에서는 익숙하게 느껴지는 공전 배치도 우주 전체 기준으로 보면 아주 특별한 사례인지, 아니면 비교적 흔한 형태인지 아직 완전히 같은 결론만 남아 있는 것은 아니었다. 새로운 외계행성 화면이 등장할 때마다 형성 계산 역시 꾸준히 수정되는 경우가 이어지고 있었다. 먼지 입자들이 서로 부딪히며 만들어진 태양계 이야기를 따라가다 보면, 지금은 안정적으로 보이는 공전 배치 역시 수많은 파편 이동과 궤도 교란 끝에 가까스로 자리 잡은 결과라는 점이 이전보다 훨씬 선명하게 마음속에 남는다.