지구는 어떻게 생성되었는가?

피자 반죽덩어리처럼 도는 새로운 별과 우주 공간의 파편은 태양계의 형성 과정을 설명하는 두가지 재료이다.  폭발하는 별에 의해 만들어진 분자들이 새로운 별들 근처의 우주 공간에 떠돌면서 서로 부딪치면서 화학작용, 중력과 전기력을 통해 어떻게 먼지, 운석, 소행성, 행성을 만들어낼까? 100가지의 원소를 가진 우주에서 100가지의 다른 물질만 있는 것이 아니다. 이 원소들은 엄청나게 많은 수의 다른 방식을 결합하여 수 조개의 새로운 물질, 우리 주변세계에서 볼 수 있는 모든 물질을 만들어 낼 수 있다. 지구를 살펴보면 90%가 철, 산소, 규소, 마그네슘,  그리고 초신성과 죽어가는 별들에서 만들어진 다른 원소 들로 이루어졌다. 어떻게 원소들은 이럼 모여 행성과 물체를 만들었을까? 

 

화학이란 다른 원자들을 연결하는 방법, 즉 어떻게 원자가 연결되어 우리가 분자라고 말하는 것을 만들어 내는가를 연구한다. 원자가 연결되는 방식은 그 전자의 배열에 달려있다. 헬륨과 같은 원자들은 매우 굉장히 안정적이어서 다른 원자들과 거의 결합하지 않는다.  그래서 헬륨이 원소 주기율표의 오른쪽 측면에 위치해 있고,  다른 대부분의 원자들은 다른 원자들과 결합하기를 좋아한다. 그 대부분의 원자들은 다른 원자들과  반응한다.  예를 들어 수소와 산소는 항상 다른 원자들과 결합할 기회를 엿보고 있다. 원자들이 서로 결합했을때 우리는 그것을 분자라고 부른다.  각 분자는 나름대로 특징을 가지고 있으며, 이 특징은 분자를 형성하는 원자들과는 매우 다르다. 수소와 산소는 둘다 기체이지만 이들이 결합하면 물을 만들고, 이 물은 수소와 산소와는 전혀 다른 특성을 가진다. 분자 사이에 엄청나게 다양한 결합 유형이 있다.  예를 들면 탄소는 스스로 결합하여 다이야몬드를 생성한다.  한편으로 탄소 원자는 스스로 결합하여 매우 다른 물질인 흑연을 만들기도 한다. 다양한 결합유형이 존재한다는 것은 엄청나게 다른 형태의 물질이 존재한다는 것을 의미한다. 우리가 풍부한 화학적 결합을 이야기 할 때,  우주의 상당 부분을 차지하는 수소와 헬륨이 아닌  2%에 대해 말해야 하는 것은 이 때문이다.

 

우리는 분광기를 이용하여 어떤 원소와 어떤 화학재료들이 우주 공간에 있는지 알 수 있다. 또 물, 많은 얼음, 이산화탄소, 암모니아, 산, 모든 간단한 분자들이 있다는 것을 알고 있다.  새로 태어난 별들 주변에서는 이들 분자들이 가지고 굉장히 흥미로운 일을 많이 할 수 있다. 이들 분자들을 가지고 행성을 만들어 낼 수 있다. 태양은 다른 별들과 같이 중력의 압력으로 물질의 구름이 붕괴 되면서 형성되었다. 많은 별처럼 붕괴는 은하수의 우리 지역 어디에선가에서 엄청난 초신성 폭발에 의해 촉발되었을 것이다.  또 초신성 폭발은 다른 초신성들과 죽어가는 별들에서 유래된 많은 새로운 물질들의 씨앗을 이 구름에 뿌려놓았다. 이 구름이 붕괴되면서 구름은 팽글팽글 도는 피자 반죽 덩어리처럼 돌기 시작한다. 구름이 돌면서 천천히 납작해지고, 원반을 형성하게 된다. 이런 종류의 원반을 '원시행성계원반 혹은 프로폴리드'라고 부른다. 원시행성계원반이 더 뜨거워지고 더 뜨거워져 마침내 핵융합이 시작되어 우리의 태양이 생성된다. 젊은 태양의 강렬한 열은 태양계 중심부에서 기체물질을 멀리 몰아냈다. 모든 기체물질은 태양계의 외부에 모이게 되고, 결국에는 응축되어 거대기체 혹성을 만들어냈다. 이들이 목성, 토성, 천왕성 그리고 해왕성이다. 이제 이 행성들이 여분의  약 99%를 차지하게 되었다. 이제 남은 것은 매우 적은 여분의 매우 적은 여분이고, 이것이 지구를 포함한 태양계 중심부의 암석행성을 만들었다.

 

태양에 더욱 가깝게 다가서면 중심 궤도에서 궤도를 도는 물질을 볼 수 있다.  그 물질은 기체가 적으며 일종의 다소 단단한 소재로 되어 있다. 매우 작은 먼지티끌이 결국에는 정전기력 혹은 충돌을 통해 결합해서 작은 암석 행성을 만드는 것이다. 얼음 티끌은 눈덩이와 같은 물체를 만들고 결국 운석이나 소행성과 같은 것들을 만들어 낸다. 이것이 점점 더 커지고, 계속 커지고 더욱 커져서 서로 충돌하게 된다. 각 궤도에는 중력의 끌어당기는 힘으로 궤도 안에 있는 모든 것들을 마침내 말끔이 몰아서 가져가는 큰 물체가 만들어진다. 그리고 수억 년이 지나 결국에는 각 궤도에는 암석행성이 생성된다. 이 과정을 '응축'이라고 부른다.  우리의 달은 아마도 화성의 크기와 같은 물체가 젊은 지구와 충돌해 생겨난 것 같다. 그 물질이 지구의 궤도를 돌면서 천천히 응축되어 우리가 달이라고 부르는 물체를 만들었다. 그래서 약1000- 2000년 이상의 기간 동안 이 과정을 통해 우리의 태양계는 형성되었다. 그 결과 중심부 궤도에 암석질 내행성이 있고, 외부 궤도에는 큰 기체행성이 있으며, 이 행성들 속을 우주 공간 파편이 이리저리 헤치며 나아가는 태양계가 만들어졌다.  우주공간 파편에는 운석, 소행성 그리고 혜성도 포함된다.

 

희귀하고 새로운 화학원소들은 어떻게 완전히 새로운 것들을 생성해낼 수 있을까? 원소들이 화학작용으로 연결되어 간단한 분자를 형성한다는 것을 알게 되었을 것이다. 온갖 새로운 물질이 우주공간을 떠돌아다니고 있다. 우리가 골디락스 조건이라 부르는 환경 속에서 새로이 생성된 별 주변에 이 화학 과정이 이루어진다. 이 분자들은 서로 충돌한다. 분자들은 화학작용에 의해 중력에 의해, 그리고 전기력에 의해 결합되어 먼지티끌, 운석, 소행성, 결국에는 행성과 태양계와 같은 물질을 만든다. 지구와 같은 암석행성은 별보다 더 복잡하다. 암석행성이 더 복잡한 이유는 암석행성의 내부구조가 더 복잡하기 때문이다. 암석행성은 화학적 으로 더욱 더 복잡하고, 더 다양한 물질을 보유하고 있다.