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목성형 행성들의 나이
(The age of the jovian planets)
Ron Samec

     행성(planet)은 항성 둘레를 공전하며, 스스로 빛을 비추지 않는, 상당한 크기를 가진 천체라고 모리슨(Morrison) 등은 말한다 [1]. 바꾸어 말하면, 행성은 통상적으로 어떠한 내부적 동력 근원(internal power source)을 가지고 있지 않다는 것이다. 따라서 그들에게서 나오는 동력은 태양으로부터 받는 동력보다 더 클 수 없다.

그러나 이것은 목성, 토성, 천왕성, 해왕성과 같은 목성형 가스 행성(jovian gas giants)들에서는 그렇지 않다. 그들은 모두 받는 열보다 더 많은 열을 잃어버리고 있다. 목성의 초과 동력(power excess)은 3 x 1017 와트이다 [2]. 목성은 사실 태양으로부터 받고 있는 동력의 거의 2배를 대부분 적외선으로 방출하고 있다 [2]. 토성은 목성 질량의 단지 30%를 가지고 목성의 총 동력의 반 정도를 생성하고 있다 [2]. 따라서 토성은 목성보다 질량 단위당 거의 두 배의 에너지를 만들고 있다. 천왕성과 해왕성도 또한 초과 에너지(excess energy)를 만든다. 그러나 그 둘이 합쳐도 덩치 큰 형들 행성에 훨씬 못 미친다. 이 모든 것들은 목성형 행성들에는 내부적 에너지 근원(internal energy source) 이 있어야만 한다는 것을 의미한다.

가장 흔한 설명은 이 4개의 행성들은 수축(contracting)을 하면서 중력 에너지(gravitational energy)를 방출하고 있다는 것이다. 비리알 정리(virial theorem)에 의하면, 중력 붕괴 동안에 에너지의 반은 복사열(radiation)로 방출되고, 반은 내부에너지로 흡수된다 [3]. 그러나 그 모델은, 만약 목성이 추정하는 태양계의 나이보다 6억 년이나 나이가 더 많지 않다면, 수축 개념이 작동되기 위해서는 너무 많은 에너지가 요구된다는 것이다 [2].

이 추가적인 열의 주요한 근원은 액체 수소 맨틀(liquid hydrogen mantle)에서 분리되어 중심부(core) 위로 비가 되어 내리고 있는 헬륨(helium)에 의한 것이라는 이론이 제기되었다 [4]. 이 중력적 메커니즘은 단지 한 원소(one element)의 이동을 포함한다. 그러나 목성의 행성적 진동(global oscillations)에 관한 최근 연구들은 이것이 발생하고 있지 않음을 보여주고 있다 [5]. 최대치를 가정한 시나리오에서까지도, 헬륨의 단지 30%만이 행성의 내부 안으로 층을 이루는 것으로 나타났다. 이것은 너무도 적어서 추가적인 열을 만들기에는 적절해 보이지 않는다.

수십억 년의 연대를 지켜내기 위해서, 오예드(Ouyed) 등은 목성 내부에는 특별한 핵반응인 듀테륨-듀테륨 융합반응(deuterium-deuterium (D-D) fusion reactions)이 일어난다는 이론을 제기했다 [2]. 듀테륨은 중수소(heavy hydrogen), 또는 핵에 양자(proton) 하나와 중성자(neutron) 하나를 가진 수소 이다. 그러나 성숙(수십억 년) 모델에서 목성의 현재 중심부 온도(core temperature)는 D-D 융합을 지지하는 데에 필요한 온도의 1/8 보다도 더 적다. 그 반응은 성숙 목성 모델에서 2 eV 인데 비하여, 17 eV(electron volts) 또는 ~160,000 K의 온도를 필요로 한다 [6]. 단지 가스의 중력적 유입으로 형성된 젊은 목성(young Jupiter)만이, 이 반응을 지지하기에 충분한 뜨거운 중심부 온도를 가지는 것이다. 그러나 젊은 목성은 초과 에너지 문제를 설명하기 위한 핵반응을 필요로 하지 않는다.

핵반응을 위해 충분히 높은 온도를 가져야 하는 것뿐만 아니라, 정확한 시점에 점화될 수 있도록 중심부에 듀테륨을 가져야만 한다. 오예드 등은 행성이 냉각될 충분한 시간을 가지기 전에(단지 수백만 년 이내에), 중심부에서 빠르게 듀테륨이 가라앉아 부착되면서 층이 만들어졌을 것이라는 이론을 제기하였다 [2]. 그리고 듀테륨 융합(deuterium fusion)은 오랜 기간 동안 젊은 목성처럼 똑같은 중심부 온도를 유지했을 것이라고 그들은 말한다. 이것은 목성이 원시(최초)의 중심부 온도를 아직도 나타내고 있음을 말하고 있는 것이다! 그것은 주장되는 45억 년 동안 변하지 않았다. 사실, 그들은 목성에는 1000억 년 동안 탈 수 있는 충분한 듀테륨이 있어야만 한다고 계산하였다!

이 시나리오에 의하면, 목성의 원시 중심부 온도를 유지하기 위해서 듀테륨 층이 정확한 시간과 정확한 장소에서 모여 있어야만 한다. 그것은 놀랍도록 정확한 상황 하에서 비상한 동시적 발생을 필요로 한다. 그리고 믿기 어려운 똑같은 상황들이 토성, 천왕성, 해왕성에서 또한 발생해야만 한다. 그래서 그것들도 핵반응을 일으켰고, 수십억 년 동안 그들의 원시 상태를 유지할 수 있었다는 것이다. 이것보다 목성형 행성이 젊다고 가정하는 것이 훨씬 더 간단할 것이다. 그러나 동일과정설적 행성 지질학자들 또는 천문학자들은 이것을 받아들일 수 없다. 목성의 나이는 단지 태양계의 추정 나이인 45억 년의 0.07%에 불과하게 된다.


4 개의 목성형 행성들의 (Morrison 등에 의한) 단순화한 가설적 내부 구조. 수소와 헬륨은 목성과 토성의 주요한 구성 요소이다. 반면에 탄소, 질소, 산소의 혼합물은 천왕성과 해왕성에서 큰 부분을 차지하고 있다. 반경은 1000 km 단위로 표시하였다.


항성(star, 별)이란 무엇인가? 일부 사람들은 그 중심부에서 지속적인 핵반응을 일으키고 있는 커다란 자체 중력적 가스형 천체(self-gravitating gaseous sphere)를 항성이라고 말한다. 다른 모든 천체들은 갈색왜성(brown dwarfs) 또는 행성(planets)이라고 불려진다. 만약 오예드에 의해서 제시된 개념을 받아들인다면, 우리의 태양계에는 현재 5 개의 항성(5 개의 태양)들이 있다고 결론지어야 한다! 이 기사의 저자들도 그들의 모델이 아직도 논쟁의 여지가 있다는(still debatable) 것을 인정하고 있다.

그러면 우리는 목성형 행성들이 방출하고 있는 초과에너지(excess energy)를 어떻게 설명할 수 있는가? 하나님이 이들 행성들을 창조하셨을 때, 그들이 가지고 있었던 총에너지는 하나님이 공급하셨던 일과 중력적 위치 에너지의 합이었다. 이 과정들의 총에너지는 열로 변환되었고, 이것은 원시 에너지의 근원이었다. 동일과정론자들은 이 원시 에너지가 태양 성운에서 부착(accretion)으로부터 기인되었다고 가정한다. 두 모델 모두 같은 결과, 즉 목성형 행성들은 초기에 뜨거웠다는 결과를 나타낸다. 동일과정론자들에게 문제가 발생하는 이유는 단지 행성들이 수십억 년의 나이를 가지고 있다고 가정하기 때문이다.

그러나 목성형 행성들이 젊다는 것을 받아들이기만 하면, 초과에너지 문제는 사라지는 것이다. 해결을 위해 어떠한 것도 필요하지 않다. 왜냐하면 목성형 행성들은 최근에 형성되었기 때문에, 존재하지 않았던 수십억 년의 광대한 기간 동안 뜨거움을 유지하기 위한 핵반응을 필요로 하지 않는다. 그들은 단지 수천 년의 나이를 가지고 있고, 창조된 이후로 뜨거운 상태로 내려오고 있었던 것이다. 


References and notes

1. Morrison, D., Wolff, S. and Fraknoi, A., Abell’s Exploration of the Universe, 7th edition, Saunders, Harcourt Brace Jovanovich College Publishers, Philadelphia, p. 4, 1995.
2. Ouyed, R., Fundamenski, W. R., Cripps, G.R. and Sutherland, P.G., D-D fusion in the interior of Jupiter? Astrophysical J. 501:367–374, 1998.
3. Zewlik, M., Gregory, S.A. and Smith, E.v.P., Introductory Astronomy and Astrophysics, 3rd edition, Saunders, Harcourt Brace Jovanovich College Publishers, Philadelphia, p. 299, 1992.
4. Guillot, T., Chabrier, G., Gautier, D. and Morel, P., Astrophysical J. 450:463, 1995.
5. Nellis, W.J., Ross, M. and Holmes, N.C., Temperature measurements of shock-compressed liquid hydrogen: implications for the interior of Jupiter, Science 269(5228): 1249–1252, 1995.
6. To convert temperature from eV (electron volts) to Kelvins in this situation requires a number of physical assumptions that are not absolutely certain. Consequently astronomers usually quote temperatures in eV in these cases. The following equation was used here to make the conversion: E = 3/2 kT, where E is energy in Joules (J), k is Boltzmann’s constant = 1.381 x 10-23 J/K, T is temperature in K, and 1 eV = 1.602 x 10-19 J.
7. Morrison et al., Ref. 1, p. 277.


 

출처 : Technical Journal 14(1):3–4, April 2000
번역자 : IT 사역위원회

관련 자료 링크:

1. 젊은 나이로 보이는 이아페투스와 카론 (Iapetus, Charon Look Young for Their Age)
2. 토성의 위성들은 도처에서 분출하고 있었다. : 분출 활동을 하고 있는 테티스와 디오네 (Satan's Moons Are Bustin' Out All Over)
3. 별빛-거리 문제 (The Light-Distance Problem)
4. 연결되어 있는 은하-퀘이사는 우주론적 설명을 거부한다. : 서로 다른 적색편이를 보이는 두 천체가 연결되었다? (Galaxy-quasar ‘connection’ defies explanation)
5. 빅뱅설의 커다란 문제점들 : 별빛과 시간, 그리고 블랙홀과 화이트홀 (Big Problems With The Big Bang)
6. <리뷰> 바이-바이 빅뱅? : 진화론적 천문학에서 풀리지 않는 수수께끼, 적색편이 (Bye-Bye, Big Bang?)
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