목성은 태양계에서 가장 큰 행성입니다. 적도의 폭이 약 143,000km로 엄청나게 거대합니다. 목성은 너무 커서 태양계의 다른 모든 행성이 들어갈 수 있을 정도라고 합니다. 1,300개 이상의 지구가 목성 안에 들어갈 수 있다고 하니, 크기가 정말 엄청납니다.
목성의 거대한 크기는 목성이 태양 주위에서 형성된 최초의 행성이었다는 걸 암시하기도 하는데요. 행성들은 성간 구름의 가스와 먼지가 합쳐지며 태양이 형성됐을 때 남겨진 잔해 속에서 만들어졌습니다. 어린 태양은 초기에는 주변에 남아있던 성간 구름을 태양풍으로 대부분 날려보냈는데요. 다행히도 목성은 그 역사를 간직할 수 있었습니다. 따라서 목성에 갇혀 있는 물질에는 태양계가 어떻게 만들어졌는가에 대한 비밀이 담겼을 가능성이 큽니다.
거대한 크기 덕분에 목성은 금성에 이어 지구의 밤하늘에서 두 번째로 밝게 보이는 행성인데요. 태양으로부터 대략 5.2AU 떨어져있습니다. 이는 지구에서 태양까지 거리의 5배가 조금 넘는 거리입니다. 목성의 구성은 항성과 비슷한데요. 만약 목성이 80배 정도만 더 거대했더라면 행성이 아니라 별이 됐을 수도 있습니다. 그렇다면, 목성이 별이 되지 못한 이유는 무엇일까요?
목성에 수소 폭탄 던지면 별이 될까?!
NASA의 갈릴레오 우주선은 1995년 12월 7일 목성에 도착해 거의 8년간 이 거대한 행성을 연구하기 시작했습니다. 그리고 목성의 이해를 도울 엄청난 양의 과학적 정보들을 지구로 되돌려보냈습니다. 임무가 끝나갈 때쯤, 갈릴레오 우주선은 마모되기 시작했는데요. 기기들이 고장나기 시작했고 과학자들은 우주선과 통신을 할 수 없게 될까봐 걱정했습니다. 만약 갈릴레오 우주선과 연락이 끊기면, 우주선이 목성의 궤도를 계속 돌다가 유로파와 같은 목성의 위성과 충돌할 가능성이 있었습니다.
갈릴레오 우주선에는 목성 위성의 자연을 오염시킬 수 있는 지구 박테리아가 존재했습니다. NASA는 위험을 완전히 제거하기 위해 갈릴레오 우주선을 목성에 추락시키는 것이 최선이라는 결정을 내렸습니다. 과학계의 모든 사람들은 이 방법이 안전하고 현명한 일이라고 확신했습니다. 하지만 일부 과학자들은 플루토늄 열중성자로(Plutonium thermal reactor)를 가진 갈릴레오를 목성 안으로 추락시키는 것은 단계적 연쇄 반응을 일으키고, 이로 인해 목성을 태양계 제2의 별로 만들어버릴까봐 우려했습니다.
참고로 수소 폭탄은 플루토늄을 폭발시켜 점화되는데요. 목성엔 수소가 많기 때문에 이러한 추정을 한 것이었죠. 그럴 수도 있을까요? 대답은 'NO' 입니다. 갈렐리오 우주선의 충돌은 목성의 수소를 연소시키지도 않았고 어떤 폭발도 할 수 없었습니다. 왜냐하면 목성에는 연소를 일으킬 산소나 물(수소와 산소로 구성)이 없었습니다.
목성은 대부분 수소로 이뤄져 있습니다. 수소를 거대한 불덩어리로 바꾸기 위해서는 산소가 필요합니다. 만약 목성 주변에서 목성의 산소량 절반보다 더 많은 양이 존재한다면 목성 절반 크기의 불덩어리를 만들 수도 있다고 합니다. 하지만 목성 가까운 곳에는 그 정도의 산소가 없습니다. 그리고 설령, 거대한 불덩어리가 된다고 하더라도 여전히 별은 아니라고 하는데요. 사실, 태양은 연소하고 있는 것이 아니기 때문입니다.
별이 되기 위해서는 융합이 필요
태양은 '융합(Fusion)'을 통해 에너지를 만들어 냅니다. 별 내부에 있는 수소원자 4개를 헬륨원자 1개로 융합하는 수소핵융합(hydrogen nuclear fusion reaction) 반응을 통해 빛과 열 에너지를 얻고 있는데요.
이렇게 태양은 수소 핵융합 반응으로 헬륨을 생성하며 에너지를 방출합니다. 참고로 연소(burning)에 필요한 산소와 같은 비교적 무거운 원소들은 쉽게 말해 태양과 같은 별들의 중심부에 있는 수소를 헬륨으로 모두 바뀐 이후에나 만들어 질 수 있습니다. 즉, 수소 핵융합 반응이 멈춘 후 만들어질 수 있습니다.
덕분에 태양은 엄청나게 밝습니다. 이러한 반응을 얻을 수 있는 유일한 방법은 엄청난 양의 수소를 모으는 겁니다. 목성은 수소와 헬륨이 풍부하긴 하지만, 핵융합 반응을 일으킬 만큼의 내부 온도와 압력을 만들어낼 정도로 크지는 않습니다. 목성은 태양보다 훨씬 더 작습니다. 만약 태양계에 두 번째 태양을 만들고 싶다면, 1,000개의 목성을 함께 충돌시켜야 합니다. 그 정도로 별이 되기 위해서는 엄청난 양의 수소가 필요한 것이죠.
<NASA>자료를 보면 태양은 수소가 약 90%를 차지하고 있는 거대한 가스 덩어리입니다. 수소를 제외하고는 약 9%의 헬륨, 그리고 1%의 탄소, 질소, 규소, 철과 같은 원소로 이뤄져 있습니다. 태양의 지름은 약 139만 km로 지구의 약 109배에 이르는 거대한 크기를 가지고 있습니다. 태양의 중심의 온도는 1,500만℃에 이를 것으로 추정되는데요. 이 온도는 폭발하는 수소 폭탄의 온도와 같다고 합니다. 이렇게 태양은 수소 원자를 헬륨으로 변환시켜 태양에 에너지를 공급할 수 있는 '열핵반응(thermonuclear reactions)'을 지속할 수 있을 만큼 충분히 뜨겁습니다. 많은 양의 에너지를 방출하는 핵융합 반응을 위해서는 높은 온도가 필요한데요. 이를 열핵반응(thermonuclear reactions)이라고 합니다.
가장 작은 별이 되기에도 한참 부족한 목성
심지어 태양은 가장 작은 별도 아닙니다. 실제로 태양에서 단 7.5%의 수소 질량만 떼어놓아도 적색왜성(red dwarf)이 만들어질 수 있습니다. 우주에 있는 별들의 약 90% 정도가 적색왜성인 것으로 알려져 있으며 우주에서 가장 많은 종류의 별이기도 합니다. 따라서 태양보다 더 무거운 별들이 가벼운 별들보다 훨씬 희귀합니다.
하지만 가장 작은 적색왜성도 목성 질량의 80배 정도라고 합니다. 그러니, 태양계에서 두 번째 별로 적색왜성을 만들기 위해서는 목성 79개 정도가 더 필요합니다. 얘네들을 충돌시켜야 하고요.
물론 적색 왜성보다 질량이 적은 천체도 있습니다. 정상적인 별은 아니지만 그렇다고 별이 아닌것도 아닙니다. 별이란 가벼운 원소들의 핵융합 반응을 통해 에너지를 생성하며 스스로 빛을 내는 구형 천체를 말하는데요. 수소 핵융합을 하지 못하는 갈색 왜성은 별도 아닌, 그렇다고 행성도 아닌 묘한 존재입니다.
갈색 왜성은 태양 질량의 대략 8% 미만의 질량만을 가지고 있는 천체입니다. 질량이 가벼운 탓에 연속적인 수소 핵융합 반응을 하지 못하기에 중수소나 리튬만을 태울 수 있는 천체입니다. 따라서 핵에서 연속적인 수소 핵융합 반응을 유지할 만한 중력을 가지지 못하는 갈색 왜성은 별의 정의에서 벗어납니다. 애초에 질량 자체가 너무 작아서 별이 되지 못한 것이기에, 갈색 왜성은 'failed star' 라고 불립니다.
갈색 왜성에도 여러 가지 종류가 있는데, 질량이 목성의 13배가 넘으면 중수소와 헬륨3를 태울 수 있습니다. 목성 13개만 더 있으면 가능할 수도 있겠네요. 하지만 대부분의 과학자들은 목성의 질량이 지금의 13배 더 커진다고 해도 갈색왜성이 되진 않을 것이라고 합니다. 왜냐하면 목성이 어떻게 형성됐는지에 따른 화학적 구성과 구조 때문인데요. 목성은 별이 만들어지는 방식이 아닌 행성이 형성되면서 만들어졌기 때문이죠. 갈릴레오 우주선으로 증명됐든 목성을 점화시키는 일은 간단한 문제가 아닌 것 같네요.
##참고자료##
- Tanya Hill, “By Jupiter, what we know of the gas giant so far”, The Conversation, July 5, 2016
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. "Could Jupiter Become a Star?" ThoughtCo, Feb. 11, 2020
- “Could Jupiter Become A Star?”, Universe Today, Feb 20, 2014
- '초기질량'에 따른 별의 진화를 볼까요?, 이웃집과학자, Nov 7,2017
- 버닝썬(Burning) 아니라 퓨전썬(fusion)이 맞다, 이웃집과학자, Mar 21,2019
July 21, 2020 at 01:20PM
https://ift.tt/32L4Uc2
목성이 별이 되지 못한 이유 - 이웃집과학자
https://ift.tt/2ArT8I1
No comments:
Post a Comment