지구는 지금까지 태양 둘레를 몇 번 공전했을까? [이광식의 천문학+]

지구 표면에 서 있으면 지구가 초속 30km, 시속 10만7800km 이상의 속도로 태양 주위를 맹렬히 공전하고 있다는 사실을 체감하기 힘들다. 뿐더러 우리 별 태양 둘레를 지구와 비슷한 속도로 돌고 있는 다른 7개의 행성이 있다는 사실이나, 지구를 포함한 8개 행성이 모두 수십억 년 동안 끊임없이 태양 둘레를 돌고 있다는 사실을 떠올리기가 쉽지 않다.

하지만 각 행성이 태양 주위를 얼마나 오래 여행하고 있는지 알아낼 수 있다면, 이는 정말 우리 마음을 충분히 사로잡을 수 있는 흥미로운 사실임을 실감할 수 있을 것이다. 이것은 언뜻 계산하기 까다로울 듯지만, 생각 외로 아주 간단한 수학일 뿐이다. 행성의 궤도는 수십억 년 전 그들이 탄생이 이후부터 지금까지 크게 변하지 않았기 때문이다.

태양계는 약 46억 년 전, 이전의 어떤 거대한 항성이 폭발 뒤에 남겨진 먼지 구름, 곧 성운 속에서 형성되기 시작했다. 천문학자들이 태양계 성운이라 이름 붙인 그 성운의 중심에서 태양이 탄생했다. 그리고 약 45억 9000만 년 전, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성과 같은 거대한 행성들이 탄생했다.

행성협회(The Planetary Society)에 따르면, 약 45억 년 전에 더 작고 암석으로 이루어진 수성, 금성, 지구, 화성 행성이 형성되었다. 그러나 행성들이 탄생했을 때 태양 주위의 궤도는 오늘날의 궤도(특히 거대 행성의 궤도)와 같지 않았다. 최초의 행성이 형성된 후 약 1억 년 동안 그들 사이에는 ‘역학적 불안정’이 있었고, 이로 인해 큰 천체들 사이에 중력 줄다리기가 일어나 나머지 외태양계의 행성 물질이 생겨났다. 프랑스 보르도 천체물리학 연구소 천문학자이자 행성 전문가인 션 레이먼드는 “바로 이 물질들이 새로운 원시 행성을 생성했으며, 그것들이 서서히 제자리를 잡아감으로써 태양계 전체 그림이 완성되었고, 그후로 행성들은 크게 변하지 않은 가운데 일관되고 안정적인 궤도에 안착했다”고 라이브 사이언스(Live Science)와의 인터뷰를 통해 설명했다.

그는 “태양계 수명의 98~99% 동안 행성의 궤도는 매우 안정적이었다”며 “그 결과 행성의 현재 궤도 역학을 사용하여 태양 주위를 얼마나 많이 여행했는지 매우 정확하게 계산해낼 수 있다”고 덧붙였다.

지구의 예를 들어보면, 우리 행성은 태양을 공전하는 데 1년이 걸리며, 45억 년 동안 존재했으니까 대략 45억 번 정도 태양 둘레를 돌았다는 계산이 나온다. 그러나 궤도를 돈 총 횟수는 다른 행성들에 비해 크게 다르다. 그 이유는 다른 행성들의 공전 주기가 지구보다 짧거나 길기 때문이다.

태양에 가장 가까운 행성인 수성은 태양 주위를 한 바퀴 도는 데 고작 88일(지구 1년 365.25일 기준으로 약 0.24년)밖에 걸리지 않는다. 따라서 수성은 지난 45억 년 동안 약 187억 회의 태양 궤도를 완성했다. 그러나 태양에서 가장 먼 행성인 해왕성은 궤도를 완료하는 데 약 60,190일(또는 164.7년)이 걸린다. 이는 해왕성이 존재한 45억 9000만 년 동안 태양 주위를 약 2,790만 번 돌았다는 것을 의미한다. 이는 수성이 해왕성보다 태양 주위를 670배 더 많이 공전했다는 뜻이다.

간추리면, 태양계 여덟 행성의 나이는 약 46억 년으로 비슷하지만, 그 공전 주기는 수성의 88일부터 가장 바깥 행성인 해왕성의 60,759일로 아주 다양하며, 따라서 그 궤도 횟수도 수성 187억 회, 금성 73억 회, 화성 24억 회, 목성 3억 8700만 회, 토성 1억 5600만 회, 천왕성 5,500만 회, 해왕성 3,800만 회 등이다. 이것은 엄청난 숫자처럼 들리지만, 대부분의 행성은 남은 수명 동안 그 2배에 달하는 궤도 횟수를 기록할 것으로 예측된다.

약 45억 년 후 태양은 부풀어올라 지구 궤도에 도달하며, 적색 왜성으로 변해 수성, 금성, 지구를 집어삼킬 것이다. 그 밖의 다른 행성들은 불타지 않으면 한동안 살아남을 수 있겠지만 궤도는 크게 바뀔 가능성이 높다.