달의 탄생과 토성 고리의 형성

달의 탄생

진정한 행성으로서 즉 국제 천문연맹의 규정에 부합하는 천체로서의 지구는 자신의 궤도 근처로 올 수 있는 모든 천체를 이미 제거했다. 단 지구-태양 체계의 두 라그랑주 점 IA와 L5에 위치한 천체들은 제외된다. 라그랑주(Lagrange)점이란 이탈리아 피에몬테 출신의 프랑스 학자 조제프 루이 라그랑주의 업적을 기려 명명된 것이다. 하나가 다른 하나를 공전하는 무거운 천체 둘(예를 들면 대양과 어떤 행성)의 중력에 속박되는 작은 천체를 연구하던 라그랑주 백작은 1772년 두 무거운 천체의 중력장이 만들어내는 5개의 균형점을 발견한다. 작은 천체가 LI에서 LS까지의 이른바 '라그랑주점' 5개 중 하나에 놓이면 이것의 위치는 막대한 질량을 가진 두 천체의 위치에 고정된다고 한다.

여전히 형성 중인 지구의 먹이가 된 미행성 중 몇 개는 지구-태양체계에서 가장 안정적인 2개의 라그랑주점 즉 L4와 L5 중 한 점을 안 전한 은신처로 삼는다. 이것들은 일련의 융합을 거쳐 마침내 라그랑주 점에서 행성 배아가 되는데 이것은 점점커져 지금의 화성 크기가 된 다. 이렇게 무거워진 '테이아(Theta) 라는 이름의 이 원시 행성은 다른 행성들의 중력 원조 덕분에 결국 자신이 생성된 균형점에서의 안정적 위치를 벗어나게 된다. 그리하여 테이아는 태양 주변에서 다소 혼란스러운 경로를 달리다 결국 지구와 충돌했다.

 

충격으로 갈라진 테이아는 주변으로 흩어졌다. 주로 철로 이뤄진 테이아의 핵은 초기의 격렬한 충격으로 합체가 된 지구의 핵으로 뛰어 든다. 충격이 있고 하루가 지난 뒤 미래의 지구는 충돌한 두 개제의 맨틀에서 나온 좀 더 가벼운 암석의 소용돌이에 휩싸인다. 몇 년 후 이 물질은 굳어서 지구로부터 2만 km 거리에 미래의 달을 형성하고 점차 멀어져갔다.

 

테이아는 티탄족의 일원이자 달의 여신 셀레네의 어머니인 테이아의 이름을 따서 지은 것이다. 앞서 설명한 원시 행성 테이아의 사실 같지 않은 이야기는 영화 <세계가 충돌할 때> 와 같은 재난 영화 속 사건이 아니다. 이것은 아폴로임무를 맡은 우주비행사가 달 표면에서 채취해온 암석 표본을 분석해 1975년 제시된 달의 기원에 관한 가설을 뒷받침하기 위해 디지털 시뮬레이션을 통 해 완성된 시나리오라 한다. 이 엄청난 충격은 지구의 회전축을 안정시킬 수 있는 커다란 위성 하나를 지구에 선물했으며 지구 생명체의 진화에 있어 결정적 역할을 했다.

 

토성 고리의 형성

태양계 행성들은 어린 태양을 둘러싼 먼지와 가스의 원반에서 만들어지기 시작한다. 같은 시기에 비슷한 원반이 거대 행성 주위 에도 존재하는데 거대 행성이란 최초로 만들어진 행성들이다. 이 원반에서 만들어진 무거운 천체들은 이 거대 행성의 위성이 된다. 새로 탄 생한 위성들은 매질에 남아있는 가스와의 중력 상호작용을 통해 그들의 모행성 쪽으로 천천히 이동된다. 지름이 약 5,000 km 되는 토성의 거대 위성의 경우가 그렇다. 타이탄(토성의 가장 큰 위성)과 비슷한 이 천 체는 암석으로 된 핵과 그것을 둘러싼 얼음으로 된 두꺼운 맨틀로 구성되었다.

만들어진 지 수천만 년 후 모행성을 향해 움직이던 이 거대 위성은 로쉬 한계를 넘어선다. 로쉬 한계란 위성의 내부 응집력이 거대 모행성이 행사하는 중력 즉 기조력에 저항하지 못하는 기준점 이하의 거리를 가리킨다. 로쉬 한계에서 토성의 중심까지의 거리는 토성 반지름의 2배 반 정도이다. 로쉬 한계라는 명칭은 19세기 중반 이 과정을 방정식으로 만든 프랑스 천문학자 에두아르 로쉬에서 비롯되었다. 강력한 기조력 때문에 일그러진 얼음 맨들은 부서져 가루가 된다.

 

더 견고한 암석의 핵은 계속 이동해 결국 토성에 삼켜진다. 남는 것은 무수한 얼음덩어리뿐인데 이것들은 토성 주위에 납작한 원반 모양으로 펼쳐진다. 그중 많은 덩어리가 결국 토성에 포획된다. 로쉬 한계 밖으로 나간 덩어리들은 뭉쳐서 토성의 작은 얼음 위성이 된다. 로쉬 한계 안쪽에 살아남은 것들은 토성의 아름다운 고리가 되어 천문학 초심자에게 호기심을 불러 일으켰다.

 

1610년 갈릴레이는 토성을 관측하는데 원시적 망원경의 렌즈 때 문에 고리들을 인접한 위성 2개로 오인한다. 1656년 고리의 진정한 성질을 발견한 것은 결국 네덜란드의 천문학자 크리스티안 하위헌스이다. 이렇게 약 400년 전부터 알려진 토성의 고리는 분명 행성의 고리 중 가장 유명하다. 그런데 태양계의 다른 거대 행성 3개에도 고리가 있다고 한다. 이것들은 무게가 훨씬 가벼워서 지구에서 관측하기 쉽지 않다. 천문학자들은 또한 태양계의 다른 천체 주변에서도 고리를 찾아내기 시작했다. 왜소 행성으로 하우페어 또는  소행성 샤리클로 같은 천체가 그것인데 샤리클로는 고리를 가진 것으로 알려진 가장 작은 천체라고 한다. 학자들은 외계행성 주변에도 고리가 있는지 연구한다고 한다.