[이광식의 천문학+] 태양의 종말 후에도 지구는 살아남을 수 있을까?

존재하는 모든 것에는 종말이 있다. 태양도 예외는 아니다. 약 46억 년 전에 태어난 태양은 별의 일생으로 치자면 그 중간 지점에 와 있다. 태양은 앞으로 약 50억 년 정도 지금과 같은 모습으로 활동할 것으로 보인다. 이것은 태양에 남아 있는 수소의 양으로 계산한 결과다. 태양이 종말을 맞는다면 과연 지구와 태양계는 살아남을 수 있을까? 이에 관해 미국의 천체물리학자 폴 M. 서터가 우주 전문 사이트 스페이스닷컴(Space.com)에 29일 흥미로운 칼럼을 게재했는데, 이를 약간 가공하여 소개한다.

우리 태양의 죽음은 먼 미래의 일이다. 그러나 별 역시 인간처럼 생로병사의 길을 걷는 존재인 만큼 언젠가는 일어날 일이다. 그러면 우리 태양계는 어떻게 될까? 문제는 태양의 죽음 이전부터 시작된다. 우리가 가장 먼저 직면해야 하는 것은 노년의 태양 자체다. 수소 융합이 태양 내부에서 계속됨에 따라 그 반응의 결과인 헬륨이 중심부에 축적된다.

폐기물이 주위에 쌓이면 태양의 수소핵 융합이 더 어려워진다. 그러나 아래로 내리누르는 태양 대기의 압력은 여전하므로 균형을 유지하기 위해 태양은 핵융합 반응 온도를 더욱 높여야 하며, 이러한 상황이 아이러니하게도 태양 중심부를 더욱 가열시킨다. 이는 태양이 늙어감에 따라 더욱 뜨겁고 밝은 별로 진화한다는 뜻이다. 수억 년 동안 번창하다가 6600만 년 전에 멸종한 공룡은 오늘날 우리가 보는 것보다 더 어두운 태양 아래 살았을 것이다. 어쨌든 태양은 10억 년마다 밝기가 10%씩 증가하는데, 이는 곧 지구가 그만큼 더 많은 열을 받는다는 것을 뜻한다. 따라서 10억 년 후이면 극지의 빙관이 사라지고, 바닷물은 증발하기 시작하기 시작하여, 다시 10억 년이 지나면 완전히 바닥을 드러낼 것이다. 지표를 떠난 물이 대기 중에 수증기 상태로 있으면서 강력한 온실가스 역할을 함에 따라 지구의 온도는 급속이 올라가고, 바다는 더욱 빨리 증발되는 악순환의 고리를 만들게 된다. 그리하여 마침내 지표에는 물이 자취를 감추고 지구는 숯덩이처럼 그을어진다. 35억 년 뒤 지구는 이산화탄소 대기에 갇힌 금성 같은 염열지옥이 될 것이다.

수소 융합의 마지막 단계에서 태양은 부풀어오르기 시작해 이윽고 적색거성으로 진화할 것이며, 그때쯤이면 수성과 금성은 확실히 태양에 잡아먹힐 것이다. 그렇다면 지구의 운명은 어떻게 될까? 그것은 태양이 얼마나 팽창할 것인가에 달려 있다. 만약 태양이 지구 궤도까지 팽창해 뜨거운 태양 대기가 지구를 덮친다면 지구는 하루 안에 녹고 말 것이다.

만약 태양의 팽창이 금성 궤도쯤에서 멈춘다 하더라도 지구는 온전할 수가 없다. 태양에서 방출되는 고에너지는 지구 암석을 증발시킬 만큼 강력하므로, 지구는 밀도가 높은 철핵만 남게 될 것이다. 외부 행성들이라 해도 이 재앙을 피해가기는 어렵다. 태양의 증가된 복사는 얼음알갱이들로 이루어진 토성의 고리를 파괴할 것이며, 목성의 유로파, 엔셀라두스 등의 위성들도 얼음 표층을 잃을 것이다.

증가된 복사열이 외부 행성들을 덮칠 때 가장 먼저 일어나는 사건은 지구 대기만큼이나 연약한 외부 행성 대기를 남김없이 벗겨버리는 것이다. 그러나 태양이 계속 팽창하면 태양 대기의 바깥 갈래들 중 일부는 중력 깔때기를 통해 거대 외부 행성으로 돌입할 수 있으며, 그에 따라 외부 행성들은 이전보다 훨씬 더 큰 덩치의 행성으로 변할 것이다.

그러나 태양은 아직 진정한 종말을 맞은 것은 아니다. 최종 단계에서 태양은 반복적으로 팽창-수축을 거듭하여 수백만 년 동안 맥동 상태를 이어갈 것이다. 중력적인 측면에서 본다면 이는 안정적인 상황이 아니다. 격동하는 태양은 외부 행성을 이상한 방향으로 밀고 당기기를 계속하다가 치명적인 포옹으로 끌어들이거나 아니면 태양계에서 완전히 축출해버릴 것이다.

그러나 나쁜 일만 있는 것은 아니다. 우리 태양계의 가장 바깥쪽 부분은 수억 년 동안 지금의 지구처럼 따뜻한 곳이 된다. 적색거성으로 진화한 태양에서 쏟아지는 열과 복사량이 많아짐에 따라 태양계에서 거주 가능 구역(물이 액체로 존재할 수 있는 별 주변 지역)이 바깥쪽으로 이동하게 된 것이다.

위에서 보았듯이, 처음에는 외부 행성의 위성들이 얼음 껍질을 잃어버리면 일시적으로 표면에 액체 바다가 형성될 수 있다. 또한 명왕성을 비롯한 왜소행성들과 카이퍼 벨트의 천체들도 결국 얼음을 잃게 될 것이다. 가장 큰 변화는 이 모든 것들이 뭉쳐져 멀리서 적색거성 태양의 둘레를 도는 미니 지구가 될 것이란 점이다. 78억 년 뒤 태양은 초거성이 되고 계속 팽창하다가 이윽고 외층을 우주공간으로 날려버리고는 행성상 성운이 된다. 거대한 먼지고리는 명왕성 궤도에까지 이를 것이다. 어쩌면 그 고리 속에는 잠시 지구에서 문명을 일구었던 인류의 흔적이 조금 섞여 있을지도 모른다. 한편, 외층이 탈출한 뒤 극도로 뜨거운 중심핵이 남는다. 이 중심핵의 크기는 지구와 거의 비슷하지만, 질량은 태양의 절반이나 될 것이다. 이것이 수십억 년에 걸쳐 어두워지면서 고밀도의 백색왜성이 되어 홀로 태양계에 남겨지게 될 것이다.

이 백색왜성은 처음에는 엄청나게 뜨거워서 우리가 알고있는 생명체에 잔인한 피해를 줄 수있는 X선 방사선을 발산한다. 그러나 차츰 냉각되어 10억 년 이내에 안정된 온도에까지 떨어지고, 수조에서 수십조 년까지 존재할 것이다. 백색왜성 주변에는 새로운 거주 가능 구역이 형성되겠지만, 낮은 온도로 인해 수성 궤도보다 훨씬 가까운 거리가 될 것이다. 그 거리는 행성이 모항성의 기조력에 극히 취약한 범위 내인 만큼 백색왜성의 중력이 행성을 찢어버릴 수도 있다. 이상이 태양의 종말 이후 우리가 얻을 수 있는 최선의 예측이다.

이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com