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지구가 속한 은하계에 있는 ‘태양’은 탄생과정을 이해하기 위해서는 초신성의 폭발과 프로토행성 디스크에서 일어나는 과정들 그리고 태양의 내부 구조를 알면 도움이 됩니다. 오늘은 이에 대해 알아보겠습니다.
초신성의 탄생
우리 은하계에 있는 태양은 어떻게 탄생했을까요? 우리 태양은 놀라운 우주 현상의 결과물로, 그 출발은 초신성의 폭발과 아주 밀접한 관련이 있습니다. 초신성의 탄생을 자세히 알아보겠습니다. 초신성은 수많은 별들이 수명을 다한 후 폭발하는 현상입니다. 별은 수백 배에서 수천 배에 이르는 질량을 가질 수 있으며, 이러한 수많은 별들은 수십억 년 동안 수소를 핵융합하여 헬륨을 만들어냅니다. 그러나 별들 내부에서 헬륨 생산이 종료되면 중력의 압력에 의해 별은 점차 붕괴하게 되고, 이 과정에서 초신성 폭발이 이뤄지게 됩니다. 초신성 폭발은 커다란 에너지와 빛을 방출하는 극적인 순간에 해당합니다. 폭발이 일어나면 수백만에서 수천만 배에 이르는 탄소와 산소 등의 원자가 만들어지며, 이러한 물질은 초신성 주변을 둘러싸고 있는 우주에 뿌려져 멀리까지 분사됩니다. 분사된 물질은 다양한 화합물과 함께 우주로 퍼져나가게 됩니다. 초신성 폭발로 분사된 물질은 우주에서 흩어져 다양한 원자와 먼지로 이루어진 구름을 형성합니다. 이것이 바로 태양의 시초인 원조 구름이라고 합니다. 원조 구름은 수소, 헬륨, 그리고 다양한 물질로 가득 차 있으며, 중력의 작용으로 이 구름은 조금씩 응축되어 태양의 원형을 만들어가게 됩니다. 이로써 태양이라는 행성이 탄생할 수 있는 기본적인 조건이 갖추어지게 됩니다.
프로토행성 디스크
태양이 어떻게 형성되었는지 알기 위해서는 프로토행성 디스크에서는 어떤 과정이 진행되었는지 알아야합니다. 원조 구름은 대단히 거대하고 질량이 많은데, 이 중 일부가 태양계 형성에 기여하는 주요 재료로 사용됩니다. 원조 구름 내에서 발생한 중력은 구름의 일부를 더욱 밀집시킵니다. 이런 중력 작용에 의한 응축은 구름 내의 특정 구역에서 더 높은 밀도를 형성하게 하는데 이를 프로토행성 디스크라고 합니다. 프로토행성 디스크는 태양계를 구성하는 천체들의 기초가 되는 중요한 단계입니다. 프로토행성 디스크는 중력과 회전운동의 영향으로 변형되어 갑자기 발생하는 충돌이나 불안정한 영역을 제외하고는 안정적인 구조를 갖게 됩니다. 이 디스크는 주로 수소와 헬륨을 비롯한 다양한 물질로 이루어져 있으며, 디스크 내의 물질은 지속적으로 충돌하고 상호작용하면서 에너지를 방출합니다. 프로토행성 디스크 내의 먼지와 가스는 서로 다른 화합물입니다. 특히 물질이 충돌하거나 합쳐지면서 복잡한 분자가 형성됩니다. 이러한 화학반응은 다양한 원자와 분자 간 상호작용을 통해 발생합니다. 이것이 디스크 내에 다양한 화합물이 존재하는 이유입니다. 이 화합물들은 후에 행성과 위성의 주요 구성 요소로 활약하는 것입니다. 프로토행성 디스크의 물질들이 서로 충돌하고 뭉치면서 행성을 형성합니다. 작은 입자들이 서로 뭉치면 더 큰 질량을 가진 물체들이 형성되고, 이것이 후에 행성이나 위성으로 성장하는 것입니다.
태양의 내부구조
태양의 내부에서 가장 중요한 부분은 코어입니다. 코어는 압력과 온도가 극도로 높은 환경에서 약 150만도에 해당하는 온도와 높은 압력을 유지하고 있습니다. 이 환경에서 수소 원자들이 핵융합 반응을 일으키며 헬륨으로 변하는데 이때 엄청난 양의 에너지가 방출됩니다. 이 핵융합 반응은 태양의 빛과 열의 원천이 되어 우리 행성에 커다란 영향을 미칩니다. 코어에서 생성된 에너지는 복사층(radiative zone)으로 이동합니다. 복사층은 에너지 전달이 복사에 의해 일어나는 곳입니다. 이 과정에서 에너지는 고온에서 낮은 온도로 이동하게 됩니다. 이 전달은 광자라 불리는 입자들이 매우 긴 거리를 이동하기 때문에 발생하며 수백만 년이 걸립니다. 태양의 대류층(convection zone)은 복사층과 태양의 표면을 연결하는 중요한 구간입니다. 대류층에서는 열이 전도나 복사가 아니라 대류에 의해 이동합니다. 코어에서 상승한 뜨거운 가스는 표면으로 이동하고, 표면에서 냉각된 가스는 다시 코어로 하강하는 식으로 열이 전달됩니다. 이 과정은 대류운동에 의한 열전도와 달리 비교적 빠르게 일어나며, 태양의 표면에 뜨거운 가스와 신기한 모양의 햇점을 형성합니다. 태양의 표면은 광도층(photosphere)으로 알려져 있으며, 이곳에서는 태양의 빛이 외부로 방출되게 됩니다. 표면은 주로 수소와 헬륨으로 이루어진 플라스마로 구성되어 있으며, 수많은 태양 반점과 햇점들이 보이는 곳입니다. 광도층에서 나오는 빛은 우리가 지상에서 관측할 수 있는 태양의 빛이며, 이것이 지구에 빛과 열을 공급합니다. 태양 대기층은 표면 위에 위치한 바깥쪽 부분으로, 코로나층(corona)과 함께 태양의 대기를 형성합니다. 코로나층은 매우 높은 온도를 가지고 있지만, 매우 낮은 밀도로 인해 눈에 띄지 않습니다. 대기층에서는 특히 코로나층에서 나온 높은 에너지의 입자들이 햇볕이나 광선에 의해 활발하게 움직이며, 이 과정에서 다양한 현상들이 발생합니다. 태양 대기층에서는 태양풍(solar wind)이 발생합니다. 태양풍은 태양 대기에서 빠져나가는 높은 속도의 입자들로 이루어져 있습니다. 이 입자들은 태양계 내를 횡단하며 행성의 자기장을 상호작용시키고, 지구의 자기장이 막을 수 있는 많은 입자들 중 일부는 자기극과 극에 위치한 극광을 형성하는 데 커다란 역할을 합니다.
오늘은 이 글을 통해 태양의 탄생과 태양의 내부구조를 알아보았습니다. 다음 시간엔 또 다른 흥미로운 주제로 찾아오겠습니다.