목성이 별이 되지 못한 이유
목성이 별이 되지 못한 이유
  • 함예솔
  • 승인 2020.07.21 15:20
  • 조회수 3028
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1,300개 이상의 지구가 들어갈 수 있는 목성. 출처: AdobeStock
1,300개 이상의 지구가 들어갈 수 있는 목성. 출처: AdobeStock

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.

목성은 태양계 초기에 대한 비밀을 간직하고 있다. 출처: NASA/ FUSE / Lynette Cook
목성은 태양계 초기에 대한 비밀을 간직하고 있다. 출처: NASA/ FUSE / Lynette Cook

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?!

 

갈릴레오 우주선에는 목성 위성의 자연을 오염시킬 수 있는 지구 박테리아도 존재했습니다. 결국 NASA는 위험을 완전히 제거하기 위해 갈릴레오를 목성에 추락시키는 게 최선이라는 결정을 내렸습니다. 과학계의 모든 사람들은 이 방법이 안전하고 현명한 일이라고 확신했습니다.  하지만 소수의 과학자들은 목성을 태양계 '제2의 별로 만들어버릴까봐 우려했습니다.

수소 폭탄은 원자폭탄을 기폭제로 활용하여 핵융합을 일으킵니다. 목성엔 수소가 많습니다.  플루토늄 열중성자로(Plutonium thermal reactor)가 장착된 갈릴레오가 들어가 마치 수소폭탄의 기폭제처럼 작용하고 이로 인해 목성이 거대한 불덩어리로 변할 수 있다는 지적이 나온 겁니다.

갈릴레오는 목성으로 추락했지만 '별' 일 없었습니다. 기본적으로 산소가 충분하지 않기 때문입니다. 목성의 대기는 대부분 수소로 이뤄져 있습니다. 목성을 앞에서 언급한대로 거대한 불덩어리로 바꾸려면 충분한 양의 산소가 필요합니다. NASA 고다드 우주비행센터의 천체물리학자 고든 뵤레이커(Gordon L Bjoraker)에 따르면 목성에 산소가 아예 없는 건 아닌 것으로 보입니다. 하지만 목성에는 목성 전체를 거대한 불덩어리로 만들어버릴 만큼의 산소가 없습니다.

설령, 산소가 충분해 목성이 거대한 불덩어리가 된다고 하더라도 별은 아닙니다. 별들은 완전히 다른 방법으로 에너지를 만들어 내기 때문입니다.

 

별이 되기 위해서는 '융합'이 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. 

핵융합. 출처: fotolia
핵융합. 출처: fotolia

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. 

태양~ 출처: NASA / SDO
태양~ 출처: NASA / SDO

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 :  태양의 7.5%에서 50% 정도의 질량을 지닌 작은 주계열성들을 부르는 말)이 만들어질 수 있습니다. 우주에 있는 별들 중 다수가 적색왜성인 것으로 알려져 있으며 우주에서 가장 많은 종류의 별이기도 합니다. 따라서 태양보다 더 무거운 별들이 가벼운 별들보다 훨씬 희귀합니다.

적색왜성(red dwarf). 출처: AdobeStock
적색왜성(red dwarf). 출처: AdobeStock

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.

갈색왜성 상상도. 출처:NASA/JPL-Caltech
갈색왜성 상상도. 출처:NASA/JPL-Caltech

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##

 


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