6600만년 전 멕시코 유카탄반도 얕은 바다에 소행성이 충돌하는 모습을 묘사한 그림. 이 충돌의 여파로 공룡을 비롯한 지구상의 수많은 생물종이 멸종했다. 위키미디어 코먼스





지구는 약 45억년 전에 형성된 것으로 추정된다. 1956년에 지구화학자 패터슨(Clair Patterson)은 운석의 납 동위원소를 분석해 태양계의 나이를 계산했고, 지구도 태양계와 함께 형성되었다고 보았다. 이 연구는 오늘날까지 지구의 나이를 설명하는 중요한 과학적 근거로 받아들여지고 있다.[1]
알라딘릴게임 지구가 형성된 지 수억년이 지난 뒤 생명체가 등장했다. 미세화석(microfossils) 연구에 따르면 35억년 전에 이미 미생물이 존재했던 것으로 본다.[2] 그린란드에서 발견된 퇴적암의 탄소 동위원소 연구 결과에 따르면 생명활동은 38억년 전에 시작되었을 것으로 본다.[3] 이후 지구에는 다양한 형태의 생명체들이 진화하고 멸종했다. 대표적인 대량 멸 모바일야마토 종(mass extinction)으로는 4억4400만년 전의 오르도비스기-실루리아기 멸종, 3억6000만년 전의 데본기 말 멸종, 2억5000만년 전의 페름기-트라이아스기 멸종, 2억년 전의 트라이아스기-쥐라기 멸종, 그리고 6600만년 전의 백악기-팔레오기 멸종 등이 있다. 대량 멸종 사이의 기간에도 작은 규모의 멸종 사건이 여럿 있었다.
릴박스 대량 멸종은 지질학적으로 비교적 짧은 시간 동안 전지구적으로 환경이 급격히 변화할 때 발생한다. 기후, 해수 조성, 대기 성분 등이 빠르게 바뀌면 많은 생물이 적응하지 못하고 사라진다. 갑작스러운 전지구적 환경변화는 대규모 화산 활동으로 발생할 수 있고, 소행성이나 혜성 같은 천체가 지구에 충돌해서 일어날 수도 있다. 급격한 기후 변화, 대륙이동 등도 릴박스 대량 멸종을 유발하는 원인으로 지목된다.
특히 6600만년 전 공룡이 사라진 대량 멸종은 소행성 충돌과 관련이 있는 것으로 널리 받아들여지고 있다. 멕시코 유카탄반도에서 거대한 칙술루브 충돌구(Chicxulub crater)가 발견되었고, 같은 시기의 전 세계 지층에서 이리듐(원자번호 77번 원소) 농도가 비정상적으로 높게 나타났다. 이리 한국릴게임 듐은 지구 지각에는 매우 적지만 소행성에는 상대적으로 많이 포함되어 있기 때문에, 이러한 증거들은 당시 거대한 소행성이 지구에 충돌했을 가능성을 강하게 뒷받침한다.



6600만년 전 공룡 멸종과 연관된 소행성 충돌이 남긴 멕시코 유카탄반도의 칙술루브 충돌구.


태양계가 은하의 나선팔을 통과할 때

지구의 대량 멸종은 은하 속 태양계의 움직임과 관련이 있을까?

대량 멸종이 기후 변화와 화산 활동 같은 지구 내부 요인뿐 아니라, 소행성이나 혜성 충돌과 같은 지구 외부 요인에 의해서도 발생할 수 있다는 점이 밝혀지면서 연구자들은 이러한 천체들이 왜, 그리고 어떻게 지구로 향하게 되었는지에 주목하기 시작했다. 이러한 논의 속에서, 지구 밖의 우주적 요인이 대량 멸종을 유발했을 가능성이 제기되었으며, 그 가운데 하나로 은하 내에서의 태양계 운동이 거론되었다..
스코틀랜드의 천문학자이면서 SF 소설가이기도 한 나피어(William Napier)는 영국 천체물리학자인 클루브(Victor Clube)와 함께 1979년에 세계적으로 권위 있는 학술지인 네이처(Nature)에 “지구 대격변 이론”(A theory of terrestrial catastrophism)이라는 제목의 논문을 발표했다.[4] 이 논문에서 저자들은 은하 중심을 공전하는 태양계가 은하의 내부 구조인 나선팔(spiral arm, 별과 성간 물질이 상대적으로 밀집해 있는 영역)을 통과하는 과정에서 태양계 외곽에 있던 혜성이나 소행성이 태양계 내부로 유입되고 이들이 지구와 충돌해 대격변이 일어났을 수 있다는 가설을 제안했다.



우리 은하의 모양을 상상한 그림. 우리 은하는 나선모양의 팔들을 가지고 있는 나선은하로 추정한다. 나피어와 클루브는 태양계가 은하 안에서 공전하면서 나선팔을 지나가는 과정에서 대격변이 일어난다는 가설을 제시했다. 그림출처: Wikimedia Commons


나피어와 클루브의 가설은 다른 연구자들에게도 영향을 끼쳤다. 미국의 지질학자인 램피노(Michael Rampino) 연구팀은 5년 후인 1984년 역시 네이처에 발표한 논문에서 좀 더 확장된 가설을 제시했다. 태양계는 은하 중심을 공전할 뿐 아니라, 은하 원반면에 수직한 방향으로도 움직이며, 그 과정에서 대격변이 일어날 수도 있다는 내용이었다.[5] 이 연구팀이 주목한 점은 대격변이 주기적으로 일어났을 가능성이었다. 태양계가 은하 원반면을 기준으로 위아래로 주기적으로 진동하며 통과할 때, 태양계 외곽의 혜성 궤도가 변하고, 그중 일부가 지구 방향으로 이동해 충돌할 가능성이 있다는 것이다.
1986년 서울대 장회익 교수(물리학)는 신입생 대상 일반물리학 강의에서 가우스 법칙(Gauss’s Law)을 이용한 단순화된 모형을 통해 태양계가 은하 원반면에 수직한 방향으로 주기적으로 운동한다는 점을 설명하면서, 공룡멸종을 유발한 소행성 충돌이 태양계의 이러한 움직임의 결과일 수 있다고 언급했다.[6] 당시에는 소행성 충돌이 공룡 멸종의 원인으로 제기되었지만 아직 널리 알려지지는 않은 상태였다. 이러한 상황에서 기초 물리학 수준의 모형을 통해 태양계의 은하 내 운동을 설명하고, 그것이 소행성 충돌과 연결될 수 있음을 제시한 강의는 많은 학생들의 호기심을 자극했다.



그림 3. 은하 중심을 축으로 도는 움직임에 은하 원반면 위아래로의 움직임이 더해지면서, 태양계는 마치 회전목마가 돌듯이 공전한다. 은하 그림 출처: NASA


4200만년 주기론을 제창한 ‘시바 가설’

은하 속을 공전하는 태양계의 운동이 지구의 주기적 대량 멸종과 같은 대격변을 초래할 수 있다는 가설은 ‘시바 가설’이라 불린다. 그 명칭은 힌두교의 ‘파괴의 신’ 시바(Shiva)에서 유래했다. 이 가설은 대량 멸종이 무작위로 일어난 것이 아니라, 주기적으로 일어날 수 있다는 가정에서 출발했다. 1984년에는 주요 멸종 시기를 통계적으로 분석하여 대량 멸종이 약 2600만년 간격으로 반복되었다고 보고한 논문이 발표되었다.[7]. 이러한 주기성이 실제라면, 대량 멸종의 원인을 지구 내부 요인이 아니라 은하 내 태양계 운동과 같은 외부 요인에서 찾을 가능성도 제기된다. 그러나 멸종 시기의 불확실성과 통계적 처리 방법을 둘러싼 논쟁 때문에, 이 주기성 주장 자체는 오늘날까지도 학계에서 논란의 대상이기도 하다.

기본적인 물리 법칙을 이용하면, 태양계가 은하 원반 중심면 위아래로 움직이는 주기를 계산할 수 있다. 이 계산에는 태양계가 위치한 부근, 즉 은하 원반 중심면 근처의 질량 밀도가 필요하다. 태양 주위에서는 한 쪽 길이가 1파섹(3.26광년)인 정육면체의 부피에 태양 0.1개 정도의 질량이 분포하는 것으로 알려져 있다.[8] 이로부터 계산한 질량밀도는 6.78×10 -20kg/m3이다. 이러한 질량 밀도를 가정하면, 태양계는 은하 원반 중심면을 기준으로 약 8400만년 주기로 위아래로 진동 운동을 한다. 태양계는 위로 움직일 때와 아래로 움직일 때 은하 중심면을 지나가기 때문에, 주기의 반인 4200만년마다 은하 중심면을 통과한다.
계산 결과는 시바 가설이 제시한 약 2600만년 주기와는 차이가 있다. 이 차이 역시 은하 원반의 질량 밀도를 조금 더 높게 가정하면 더 줄어든다. 예를 들어, 한 변의 길이가 1파섹(3.26광년)인 정육면체 부피에 태양 질량의 약 0.2배에 해당하는 밀도를 가정하면, 시바 가설이 제안한 주기에 상당히 근접한 값이 나온다. 우리 은하는 중심부에 막대 구조를 지니고 있으며, 바깥쪽은 나선형 팔로 이루어져 있다. 나선팔에는 별이 더 많이 분포해 질량 밀도가 높고, 팔 사이 공간은 상대적으로 밀도가 낮다. 이를 고려하면 위치에 따라 은하의 질량 밀도가 두 배 정도 차이 나는 것은 그리 특별한 일이 아니다. 시바 가설은 태양계가 은하 내에서 주기적으로 운동하면서 오르트 구름을 교란하고, 그 결과 일부 혜성이나 소행성이 지구를 향해 이동하여 충돌과 같은 지구적 대격변을 일으킬 수 있다고 보는 가설이다.
태양계가 은하 원반면을 주기적으로 통과할 때, 은하 원반면의 중력이 오르트 구름 혜성들의 궤도를 변하게 해 지구로 향하게 한다는 가설에는 몇가지 문제가 지적됐다. 첫번째 의문은 은하 원반면의 중력이 오르트 구름 혜성의 궤도를 변하게 할 정도로 충분히 강한가였다. 두 번째 의문은 충분히 짧은 기간 동안 중력이 강해질 수 있는가였다. 이에 대한 해법으로 하버드대 물리학과 교수인 리사 랜들(Lisa Randall)은 시바 모델을 확장해 암흑물질이 얇은 은하 원반면에 분포해 있을 것이라는 가설적 가능성을 제시했다.[9] 그러나 일부 연구자들은 암흑물질을 도입하지 않고도 주기적인 혜성 충돌을 설명할 수 있다고 주장한다.



은하 원반 중심면 근처에서는 중심면에서 멀어질수록 중심면을 향한 중력의 크기가 증가한다. 이런 힘은 태양계가 은하 원반면에 수직 방향으로 주기적으로 왔다갔다하는 움직임을 만든다. 태양계가 주기적으로 은하 원반면을 통과하는 과정에서 궤도가 변한 혜성이나 소행성이 지구에 충돌해 대량 멸종을 유발한다는 가설이 시바 가설이다.


혜성의 궤도를 바꾸는 두 가지 힘

시바 가설에 따르면, 태양계가 은하 원반 중심면을 기준으로 위아래로 주기적으로 움직일 때, 오르트 구름의 혜성 궤도가 변하며 일부 혜성이 태양계 안으로 들어와 지구와 충돌할 수 있다. 여기서 핵심은 혜성 궤도를 변화시키는 물리적 요인에 있다. 그 요인으로는 크게 두 가지가 있다. 하나는 태양계 근처를 지나가는 별의 중력이고, 다른 하나는 은하 원반이 만드는 조석력이다. 이 두 효과는 서로 독립적인 현상이 아니라, 태양계의 은하 내 움직임과 밀접하게 연결되어 있다.

다른 별들도 태양과 같이 은하 원반면 위아래로 움직이며, 태양과 같은 방향 또는 반대 방향으로 이동할 수 있다. 특히 반대 방향으로 이동하며 수평 위치가 근접한 별은 태양계 근처를 지나가면서 오르트 구름 혜성의 궤도에 중력적 영향을 줄 수 있다. 심지어 같은 방향으로 이동하더라도, 두 별 중 하나가 먼저 방향을 바꾸면 일시적으로 반대 방향으로 움직이며 근접할 수 있다. 은하 원반면에서 멀수록 수직 속도가 느려지므로, 근접 시 중력의 영향이 더 오래 지속되어 혜성 궤도 변동 가능성이 커진다.
또한 이 시바 가설은 은하 조석력과도 밀접한 관계에 있다. 은하 원반 구조 안에서는 중심면에서 멀어질수록 중력이 커진다. 오르트 구름 영역의 지름은 약 20만AU(약 3광년)에 이른다. 이 거리 차이로 인해 은하 원반이 만드는 중력의 차이는 조석력을 형성한다. 이러한 조석력만으로도 오르트 구름 혜성들의 궤도는 장기간에 걸쳐 변화할 수 있다. 궤도가 변한 혜성은 근일점이 태양에 가까워지거나 멀어질 수 있으며, 태양에 가까워진 일부 혜성은 지구 공전궤도와 겹쳐 충돌할 가능성이 있다.
결국 시바 가설은 태양계가 은하 안에서 위아래로 주기적으로 움직이는 동안, 은하 원반의 중력이 만들어내는 조석력과 근처를 스쳐 지나가는 별의 중력이 함께 작용해 혜성들의 궤도를 조금씩 흔들 수 있다는 생각이다. 이렇게 궤도가 변한 혜성 가운데 일부가 태양계 안쪽으로 들어와 지구와 충돌해 대격변을 일으킬 수 있다는 것이 이 가설의 핵심이다. 즉, 시바 가설은 하나의 단일한 원인을 제시하기보다, 태양계의 은하 운동과 여러 중력 효과가 겹치면서 장주기 혜성의 유입 가능성이 높아질 수 있다는 통합적인 그림을 보여준다.



공전주기가 2600만년인 네메시스의 공전궤도. 가설로 제안된 네메시스의 근일점이 태양에 더 가까운 타원 궤도를 돌면 2600만년을 주기로 혜성이 더 밀집한 오르트 구름 영역을 지나가면서 혜성의 궤도로를 뒤흔든다.


태양의 동반별이 있었거나 현재 있다면?

주기적인 대량 멸종이 태양 주위를 2600만년의 주기로 공전하는 천체 때문이라는 가설도 제시되었다. 지금까지 발견된 태양계 행성 중에서 태양에서 공전주기가 가장 긴 행성은 해왕성이다. 태양에서 약 30AU(45억km) 떨어져 있으며, 태양 주위를 한 바퀴 도는 데 164.8년이 걸린다. 2600만 년 주기로 태양 주위를 원형 궤도로 공전하려면, 태양에서 약 8만8000AU(약 1.39광년) 떨어져 있어야 한다. 타원 궤도를 돈다면, 타원의 긴반지름은 8만8000AU가 되어야 한다. 태양에 가장 가까워지는 거리가 짧아지면, 가장 멀리 떨어지는 거리도 그만큼 늘어나야 동일한 공전주기를 유지할 수 있다.

2600만년을 주기로 태양 주위를 타원 모양으로 공전하는 천체가 오르트 구름에서 혜성이 많이 분포하는 영역을 주기적으로 통과한다고 하더라도, 혜성 궤도를 충분히 변화시켜 지구로 향하게 하려면, 천체의 질량이 충분히 커야 한다. 따라서 갈색왜성이나 그보다 더 큰 별이어야 중력이 충분히 강해 혜성 궤도에 유의미한 영향을 줄 수 있다. 다시 말해, 태양계가 단일 항성계가 아니라 쌍성계였어야 한다. 그래야 태양의 동반별이 2600만년 주기로 오르트 구름에서 혜성 궤도를 변화시켜 지구로 향하게 만들 수 있다. 이렇게 태양에서 멀리 떨어져서 2600만년을 주기로 태양을 한 바퀴 도는 갈색왜성 크기 이상의 별은, 그리스 신화에 나오는 복수의 여신의 이름을 따서 네메시스(Nemesis)라고 불렀다.
수광년 떨어진 갈색왜성은 현재 기술로도 천체망원경으로 관측할 수 있다. 그러나 태양계 가까이에서 네메시스라고 부를 만한 천체는 발견되지 않았다. 현재 시점에서는 단지 가설로만 존재하는 천체인 셈이다. 과학적 상상력을 동원하면 네메시스가 실제 존재해도 전통적인 천체 관측 방식으로 관측할 수 없는 가상의 상황이 존재하기는 한다. 제9행성과 관련하여 언급되었던 원시 블랙홀(primordial black hole)인 경우이다. 이런 특수한 경우가 아닌 이상 태양 주위를 공전하는 네메시스는 현재 관측 결과로는 존재 가능성이 매우 낮다.
그렇다고 해서 네메시스가 과거에도 존재하지 않았다고 단정할 수도 없다. 과거에는 태양 주위를 공전했지만, 이후 태양계에서 완전히 벗어났을 가능성도 있다. 이런 경우를 가정한다고 하더라도 네메시스의 흔적을 찾는 것은 어렵다. 예를 들어 존재하던 네메시스가 3000만년 전에 태양계에서 떨어져 나가 초속 10km의 속도로 태양계에서 계속 멀어졌다면, 그 별은 이미 태양계에서 1000광년이나 떨어져 있을 것이다. 태양계에서 멀어지기 시작한 별을 특정했다고 하더라고, 이 별이 태양계의 동반 별이었다가 떨어져 나간 별인지 아니면 그냥 지나가던 별이었는지를 알아내는 것도 어렵다. 은하 내에서 별의 움직임이 복잡하고, 그 사이 다른 별 근처를 지나간다면, 천체의 궤적도 달라지기 때문이다.

주)

[1]“Age of meteorites and the earth”, C. Patterson, Geochimica et Cosmochimica Acta

10, 230 (1956)

[2] “Microfossils of the Early Archean Apex Chert: New Evidence of the Antiquity of Life”, J. W. Schopf, Science 260, 640 (1993)

[3] “Evidence for life on Earth before 3,800 million years ago”, S. J. Mojzsis, G. Arrhenius, K. D. McKeegan, T. M. Harrison, A. P. Nutman, and C. R. L. Friend, Nature 384, 55 (1996)

[4] “A theory of terrestrial catastrophism”, W. M. Napier and S. V. M. Clube, Nature 282, 455 (1979).

[5] “Terrestrial mass extinctions, cometary impacts and the Sun's motion perpendicular to the galactic plane”, M. R. Rampino and R. B. Stothers, Nature 308, 709 (1984)

[6] 일반물리학 강의, 장회익, 서울대학교 물리학과 1986년.

[7] “Periodicity of extinctions in the geologic past.”, D. M. Raup, and J.J. Sepkoski, Proceedings of the National Academy of Sciences, 81, 801 (1984).

[8] “The local density of matter mapped by Hipparcos”, J. Holmberg & C. Flynn, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 313, 209 (2000)

[9] “Dark Matter as a Trigger for Periodic Comet Impacts”, L. Randall and M. Reece, Physical Review Letters 112, 161301 (2014).

“Did dark matter kill the dinosaurs?”, E. Gibney, Nature, 2014년 3월7일, https://www.nature.com/articles/nature.2014.14839


윤복원