지구와 태양계

지금부터 과학적으로 우주에 대해 생각해 보겠습니다. 우리는 지구에 있습니다. 우리에게 지구는 어마어마하게 큽니다. 지금은 비행기를 타고 지구를 도는 게 가능하지만, 옛날 사람들에겐 지구가 무한대 공간과 다름없었을 겁니다. 그러면 이렇게 크고 몇 십억 인구가 사는 지구가 특별한 것일까요? 

 

지구는 우주에서 보면 태양계에 소속된 행성에 불과합니다. 지구는 태양계에서 제일 큰 행성도 아니고, 태양에 제일 가까이 있는 행성도 아닙니다. 어쩌면 특별할 것 없는 돌덩어리일 것입니다. 하지만 태양계에서 태양은 특별합니다. 우리에게 특별한 태양도 우리 은하의 수천억 개 별 중 하나이며, 그 별 중에서 특별히 밝은 것도 아닙니다. 더구나 우리 은하도 우주 안 수천억 개의 은하 중 하나에 불과합니다.

 

태양계에 속하는 별들의 크기를 보겠습니다. 태양을 중심으로 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성이 차례로 있습니다. 지구에는 위성으로 달이 있습니다. 수성은 달보다 크고, 목성은 태양계 행성 중 가장 큽니다. 목성은 지구에 비하면 매우 크지만, 태양에 비하면 매우 작습니다. 이 행성들을 다른 천체와 비교해 봅시다.

 

태양계 외부에서 돌고 있다고 생각하는 케플러 10c라는 행성이 있습니다. 이 행성은 지구보다 크고 해왕성보다 작습니다. 우주에는 목성만큼 큰 행성이 많이 있습니다. 그런데 목성 정도 크기의 별은 우주에서는 작은 크기에 불과할 거라고 생각됩니다. 별이 되려면 핵융합을 해야 하므로 너무 작으면 별이 될 수가 없습니다. 또한 목성보다는 무거워야 하지만, 핵융합을 하지 않는 행성으로 있으려면 목성보다 너무 무거워서도 안 됩니다. 

 

태양은 목성보다 엄청나게 큽니다. 태양계 대부분의 질량은 태양에 있습니다. 태양도 큰 별이라 생각했는데 더 큰 별이 있습니다. 바로 자이언트, 거성이리 불리는 것들입니다. 그런 별들은 별이 죽을 때가 되면 나타납니다. 태양도 언젠가 저런식으로 커지게 될 겁니다. 더 큰 천체들과 비교하면 지구나 태양은 작아서 보이지않을 정도입니다.

 

그런데 별의 크기도 별 사이의 거리에 비하면 굉장히 작습니다. 지금까지 발견된 가장 큰 별은 아무리 크다고 하더라도 빛이 하루 동안 갈 수 있는 거리보다는 훨씬 작습니다. 별과 별 사이 거리는 빛이 하루에 갈 수 있는 거리 정도가 아니라 1년 동안 갈 거리보다도 멉니다. 빛이 진공 속에서 1년 동안 간 거리가 1광년입니다. 태양에서 가장 가까운 별이 4광년 정도 떨어져 있습니다. 별과 별 사이에 엄청난 공간이 있다는 걸 알 수 있습니다. 우주의 크기로 가려면 한참 더 가야 합니다.

 

우리가 보는 은하수에도 엄청난 수의 별이 있습니다. 은하들이 모여서 다른 은하들을 이루고, 우리가 보는 우주 앙에는 수천억 개의 은하가 있습니다. 과학자들은 심지어 이런 우주가 우리 우주 하나만 있는 게 아니라 더 있다고 믿고 있습니다. 아직은 과학적으로 증명되지 않았지만, 우주의 개수는 무한대로 많다고 생각하기도 합니다.

 

좀 더 범위를 좁혀서 우리가 제일 잘 아는 별인 태양에 대해 구체적인 사실들을 얘기해 봅시다. 지구의 둘레는 약 4만 km입니다. 프랑스 대혁명 이후에 표준 단위를 만들었는데, 지구 둘레가 4만 km가 되도록 미터(m)를 정의했습니다. 지금은 표준 길이를 더 정밀하게 해야 하기 때문에 지구 둘레가 아닌 다른 기준으로 정의합니다.

 

태양은 반지름이 지구의 109배 정도입니다. 부피로 따지면 대략 100x100x100=100만 배, 질량으로 따지면 30만 배입니다. 그 정도 질량을 가지고 있기 때문에 태양계 질량은 대부분 태양에 있습니다. 나머지 질량은 대부분 목성에 있고, 지구가 차지하는 질량은 매우 작습니다.

 

태양은 표면 온도가 6천 도 정도입니다. 온도를 가지는 모든 물체는 그 온도에 해당하는 빛을 냅니다. 이런 현상을 흑체복사라고 합니다. 우리 몸에서도 체온에 해당하는 빛이 나옵니다. 다만 우리 몸에서 나오는 빛을 우리가 보지 못하는 이유는 그 빛이 눈에 보이지 않는 적외선이기 때문입니다. 군사 목적이나 밤에 잘 보기 위해 사용하는 적외선 카메라를 쓰면 우리 몸에서 나오는 빛을 볼 수 있습니다. 

 

이와 마찬가지로 태양에서는 노란색, 초록색 등 가시광이 나옵니다. 그런 빛이 나오려면 표면 온도가 6천 도 정도 돼야 합니다. 내부 온도는 1,500만 도에 달합니다. 이러한 온도는 실제 그 장소에 가서 온도계로 잰 것은 아니지만, 여러 과학적 사실들로 추정한 것입니다. 이 정도 온도를 띤 태양 중심부에서는 수소가 모여 헬륨이 되면서 에너지를 내놓는 핵융합이 일어나고, 핵융합 과정에서 나오는 에너지 때문에 뜨거워집니다.

 

핵융합이 일어날 대는 가시광이 아니라 매우 짧은 파장의 빛이 나옵니다. 이 빛이 다른 것과 부딪히고 산란되면서 태양 표면에 도달할 때까지는 100만 년 정도 걸린다고 합니다. 우리는 지금 태양에서 나오는 빛으로 모든 사물을 보고 있습니다. 이 빛은 8분 전에 태양에서 출발했고, 100만 년 전에 있었던 핵융합 과정에서 나온 에너지에 기인한 것입니다. 

 

태양의 구조

태양은 대부분 수소로 만들어져 있습니다. 수소 76%, 헬륨 20%정도이고, 지구에서 흔히 보는 원소는 미량입니다. 수소는 중심 부분에서 태워져서 헬륨을 만듭니다. 우리가 흔히 태운다고 하면 산소가 결합해 산화되는 것이지만, 핵융합은 그러지는 않습니다. 수소핵이 모여 헬륨핵이 되며 에너지를 내놓는 과정을 태운다고 표현한 것입니다. 이런 식으로 핵융합을 해서 내놓는 에너지는 지구 모든 에너지의 원천이 됩니다. 당연히 지구에서 여러 생명을 유지시키는 에너지도 태양에서 나오는 에너지입니다.

 

태양에서 오는 여러 빛을 바탕으로 생명 현상이 유지됩니다. 울창한 숲과 꽃이 있게 됩니다. 식물은 광합성으로 에너지를 얻고 곡물들도 마찬가지입니다. 지구상에서 얻어지는 거의 모든 에너지의 근원은 태양이며, 많은 생명과 인간이 살아가는 근원이 됩니다.