오늘도 계속해서 목성에 관한 내용들이 이어진다. 개인...

오늘도 계속해서 목성에 관한 내용들이 이어진다. 개인적으로는 지구과학과 물리학과 화학이 절묘하게 결합되어 있다는 느낌을 받았다.

뒤이어서 ‘수금지화목토천해명‘ 의 순서에 따라 토성에 관한 얘기들이 나오기 시작한다. 일부 몇 가지 특징을 제외하고는 목성과 토성이 여러면에서 비슷하다는 얘기를 보면서 혹시 행성도 진화를 하는 건 아닌가 하는 약간은 생뚱맞은 생각(?)도 잠깐이나마 해보았다.

또한 본문에서 토성의 위성들에 관한 얘기도 나오는데, 그 중 ‘타이탄‘ 이라는 것이 있다고 한다. 본문에 따르면 이것은 태양계 안에 있는 위성들 중 가장 거대한 존재라고 하는데, 이러한 특징에 근거하여, 과거에 유명했던 영화 중 하나인 《타이타닉》 이 문득 생각났다. 물론《타이타닉》영화를 보면 이런저런 다양한 이야기들이 나오지만 위에 언급한 ‘거대한 존재‘ 라는 특징에 좀 더 주목해본다면 영화에 나왔던 타이타닉호의 크기가 정말로 어마어마했던 것을 떠올려볼 수 있을 것이다.

갑자기 좀 생뚱맞은 연결처럼 보일 수도 있겠으나 이러한 연상을 통해 책의 본문에서 언급된 ‘타이탄‘ 이라는 위성이 얼마나 거대할지를 상상하는데 개인적으로 조금이나마 도움이 되었다.

연이어 타이탄의 대기에 관한 분석이 나오는데, 이를 통해 우주를 좀 더 심도있게 이해하는데 있어 화학에 대한 지식이 있다면 비교적 수월할 수 있겠다는 생각도 해볼 수 있었다. 이는 내가 맨 위에서 언급한 얘기와도 일맥상통한다.
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6장 <여행자가 들려준 이야기>가 마무리되고, 7장은 <밤하늘의 등뼈>라는 제목의 글이 나온다. 이제 읽기 시작했기에 어떤 내용이 기다리고 있는지는 아직 모른다. 다만 이 챕터의 시작 부분에 신神에 관해 나온 글이 있는데 신神이라는 것에 대해 꽤나 도전적인(?) 글로 느껴졌다. 독자인 내가 이해한 이 글의 요지는 사람들이 인과관계를 규명하기가 힘들거나 어떤 미지未知의 현상을 접할 때 신神이라는 존재에 기대는 경향이 많으며 신이라는 것은 단지 공허한 소리(?)일 뿐이라는 것이었다.


요즘 어떤 사람이 다른 사람으로부터 상처가 될 수 있는 말을 들었을 때 긁혔다(아마도 마음에 상처가 날 정도로 마음이 긁혔다는 의미인듯...)는 표현을 종종 쓰는데, 이 표현을 위에서 언급한 신神에게도 적용해볼 수 있겠다는 생각이 문득 들었다. 신神의 권위(?)에 공허한 소리라는 말로 도전했기 때문이다. 물론 이 말은 신이라는 게 애초에 없다고 생각하는 무신론자無神論者들에게는 그닥 와닿지 않는 말일수도 있겠으나, 신神이라는 것이 비록 눈에 보이지는 않아도 존재한다고 믿는 유신론자有神論者라면 어느정도 공감할 수 있지 않을까 조심스레 예상해본다. 다만 이러한 예상은 신도 인간처럼 자존심이라는 게 있지 않겠는가 하는 것을 전제로 하는 독자인 나의 지극히 주관적인 예상일 뿐이니 설사 이런 나의 예상에 동의하지 않으시더라도 너그러운 마음으로 이해바란다.
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뒤이어지는 내용에서 저자의 어린 시절에 있었던 일화가 하나 나온다. 다른 사람들은 그냥 평범하게 그냥 그려려니 하고 지나치는 밤하늘의 별에 대한 호기심이 발동한 것이다. 이러한 호기심 때문이었는지 저자는 일정 시간이 지난 뒤 부모님이 건내주신 도서관 카드를 받자마자 도서관으로 가서 별star에 관한 책을 대출한다. 다만 이 과정에서 웃지 못할 에피소드도 하나 있었는데, 저자의 대출 요청을 받은 사서가 밤하늘의 별이 아닌, 스타라고 칭해지는 연예인들이 나온 책을 가져왔던 것이었다.

무슨 일이 있었든 간에 독자인 나는 이 부분에서 저자의 호기심이 얼마나 강렬했는지를 느낄 수 있었다. 과연 나는 저 어린 나이에 무엇을 하고 있었나 하는 생각도 잠깐 해봤으나 결과적으로는 그런 생각이 무슨 의미가 있겠나 싶은 생각에 생각을 멈추었다. 다만 여기서 주목해야 할 것은 분야를 막론하고 본능적으로 나를 이끄는 어떤 대상에 집중해서 그것의 속성을 깊이있게 파고들려는 열정이었다. 저자 칼 세이건의 경우 그 대상이 별이었고, 그 결과 천문학 분야에서 유명한 사람이 된 것이다. 여기서 파생되어 이 《코스모스》등과 같은 천문학, 우주 등과 관련된 여러 권의 책들도 저술하게 된 것이다.

저자가 살아온 길과 나를 포함한 수많은 독자들이 그동안 살아온 길이 제각기 다르지만 그 길이 어떤 길이든 관계없이 자기가 걸어온 길에 저자와 같은 열정을 가지고 매진한다면 비록 온 우주를 다 가질 수는 없더라도 적어도 자기 분야에서만큼은 한 획을 그을 수 있는 사람이 되지 않을까 생각한다.

목성의 구름 저 깊은 밑바닥에서 느끼게 되는 대기의 무게, 즉 기압은 지구 그 어디에서도 찾아볼 수 없는 엄청난 것이다. 수소 원자들은 그렇게 높은 압력을 받으면 서로 짓눌려서 핵에 속박되어 있던 전자들이 책에서 떨어져 나가 금속성의 액체 수소로 변한다. 지구에서는 이정도의 압력이 실현될 수 없기 때문에 지상 실험실에서 금속성의 액체수소를 관측할 기회가 없다. - P315

(금속성 액체 수소는 상온에서도 초전도성을 지닐 수 있을 것으로 기대된다. 그러므로 지구의 실험실에서 이러한 물질을 만들어 낼 수만 있다면, 전자공학에 획기적인 발전이 초래될 것이다.) - P315

구체적으로 목성 내부의 압력은 지구 표면 대기압의 300만배나 된다. 이런 조건에서 예상되는 수소의 유일한 존재 양식이 앞에서 이야기한 금속성의 액체 수소이다. 그러므로 목성의 내부는 금속성의 액체수소가 바다를 이루고 있을 것이다. - P315

목성의 내부 한복판에는 암석과 철로 된 핵이 자리 잡고 있을지 모른다. 지구처럼 생긴, 태양계에서 가장 큰 행성의 중심핵은 거대한 압력으로 옥죄는 두꺼운 가스층에 갇혀 그 모습을 영원히 드러내지 않을 것이다. - P315

목성은 태양계에서 가장 강력한 자기장을 발생시키는데, 이것은 목성 내부의 금속성 액체에 흐르고 있을 것으로 예상되는 전류 때문일 것이다. 이 전류는 자기장뿐 아니라 전자와 양성자로 구성된 목성 주변의 복사 벨트를 생성하기도 한다. 왜냐하면 자기장이 하전 입자를 붙들어 놓기 때문이다. - P315

복사 벨트의 내부에서는 태양풍의 형태로 태양에서 방출된 하전입자들이 목성의 자기장에 포획되어 가속 운동을 한다. 이 복사 벨트는 목성의 구름층보다 훨씬 높은 곳에 위치하며, 그 속에 있는 입자들은 목성의 남극과 북극 사이를 빠른 속도로 왕복한다. 그러다가 목성 고공의 대기 분자와 충돌하면 운 좋게 벨트에서 빠져나오기도 한다. - P316

이오의 궤도는 목성과 매우 가까워서 이오는 하전 입자들의 복사 벨트를 가로지르며 움직인다. 이때 하전 입자들이 폭포수같이 쏟아지면서 전파 에너지가 폭발적으로 방출된다. (이 전과 폭발이 이오 표면에서의 물질 분출에도 큰 영향을 줄 것이다.) 우리는 이오의 궤도상 위치에 따라서 목성의 전파 폭발과 관련된 에너지의 양을 정확하게 예측할 수 있다. 천문학자들의 이 예측은 지구상의 일기 예보보다 더 정확하다. - P316

전파천문학이 발달하기 시작한 1950년대에 목성이 강력한 전파 방출원이라는 사실이 우연히 알려지게 됐다. - P316

사실 과학사에서의 발견은 거의 대부분이 이런 식(우연) 이었다고 해도 과언이 아니다. - P317

토성은 목성보다 약간 작다는 점만 제외하면 물질 조성을 비롯하여 여러 가지 측면에서 목성과 매우 비슷하다. - P317

대략 10시간에 한 번씩 자전하는 토성은 다양한 색깔의 고리로 자신의 적도 부분을 아름답게 치장하고 있다. 목성도 토성과 마찬가지로 고리를 갖고 있지만, 토성의 고리만큼 두드러지지도 아름답지도 않다. 토성의 자기장과 복사 벨트는 목성에 비하여 매우 미약한 수준이다. 하지만 행성 고리만 본다면 토성은 목성에 비해 훨씬 더 훌륭한 장관을 우리에게 제공한다. 그리고 토성도 열두어 개 이상의 위성을 거느리고 있다. - P317

토성의 위성들 중에서 우리의 가장 큰 관심을 끄는 것은 타이탄이다. 타이탄은 태양계 안에 있는 위성들 중에서 가장 거대한 존재로, 있으나마나 한 대기가 아니라 상당 수준의 대기를 실제로 보유한 유일한 위성이다. - P318

(토성) 대기의 구성 성분으로 확인된 분자는 G. P. 콰이퍼가 발견한 메탄CH4이 고작이었다. - P318

메탄이 태양의 자외선을 받으면 좀 더 복잡한 탄화수소 분자와 수소 기체로 변한다. - P318

탄화수소 분자가 타이탄의 표면을 짙은 갈색의 타르로 뒤덮을 것이다. 생명의 기원과 관련하여 지상 실험에서 볼 수 있었던 진한 갈색의 유기물인 타르 찌꺼기도 여러 가지 종류의 복잡한 탄화수소로 구성돼 있었다. - P318

수소 기체는 가장 가벼운 기체인 데다가 타이탄의 중력이 약하기 때문에 ‘분출 이탈 blowoff‘ 이라 불리는 격렬한 과정을 통해서 타이탄에서 매우 빠른 속도로 달아날 것으로 추정된다. 이때 타이탄 대기의 메탄을 포함한 다른 종류의 분자들을 수소가 함께 데리고 나갈 것이다. 그런데 이런 예측에도 불구하고 타이탄의 표면 기압은 최소한 화성과 비슷한 수준인 것으로 밝혀졌다. 그러므로 실제로는 분출 이탈이 타이탄에서 일어나지 않는 모양이다. - P318

어쩌면 타이탄 대기에 메탄 이외의 아직 발견되지 않은 기체가 더 있을 수도 있다. 예를 들어 질소 분자가 대기 성분에 포함되어 있다면 대기의 평균 분자량을 높여서 분출 이탈과 같은 격렬한 현상을 막아낼 수 있을 것이다. 아니면 분출 이탈이 실제 진행 중일 수도 있다. 이 경우 내부로부터 새로운 기체가 방출되어 이탈에 따른 손실분이 지속적으로 보충되고 있을 것이다. - P318

타이탄의 평균 밀도가 매우 낮은 것으로 미루어 보아, 타이탄에는 상당한 양의 H2O 얼음과 메탄을 포함하는 또 다른 종류의 얼음이 존재할 것으로 예상된다. 이러한 얼음들이 구체적으로 어느 정도의 기체를 공급하는지는 예측할 수 없지만 내부 열에 기화되면서 대기에 기체를 공급할 것이다. - P319

대기와 지표면에 상당한 양의 유기 물질이 존재한다는 점에서 타이탄은 우리의 시선을 끄는 태양계의 특별한 구성원임에 틀림이 없다. - P319

타이탄의 지표면에 서면 타이탄의 구름 사이로 토성과 그 고리들을 볼 수 있을 것이다. 그러나 타이탄 대기에서 빛이 산란되기 때문에 토성과 고리는 희뿌옇게 보이겠지만 말이다. - P319

태양에서 토성까지의 거리는 태양에서 지구까지의 거리의 10배에 달하기 때문에 타이탄이 태양에서 받는 에너지의 양은 지구가 받는 값의 1퍼센트밖에 안 된다. 따라서 타이탄에서 비록 무시할 수 없을 수준의 온실 효과가 작용한다 치더라도 타이탄의 표면 온도는 섭씨 0도도 안 될 것이 확실하다. - P319

토성이 태양을 30년에 한 번씩 공전하기 때문에 토성과 그 위성들에서의 계절변화는 지구에서보다 훨씬 느리게 진행된다. - P320

(토성) 고리의 입자들은 크기가 1미터에 불과한 눈덩이나 얼음 조각으로 조그마한 축소판 빙산이 공중에 떠서 빙글빙글 돌고 있다고 생각하면 된다. 우리는 토성 고리의 스펙트럼을 찍어서 실험실에서 찍은 다양한 성분의 스펙트럼과 대조해 봄으로써 고리 입자의 주성분이 물로 된 얼음이라는 사실을 이미 알고 있었다. - P320

(토성) 고리들 사이에 벌어진 틈들이 여러 개 보이는데, 그중 가장 크게 벌어진 부분이 카시니 간극Cassini Division 이다. 토성 고리 면의 간극들을 통해서 뒤에 있는 별들이 보이기는 하지만, 그렇다고 간극이 완전히 비어 있는 것은 아니다. 바로 그렇기 때문에 파이오니아 11호의 카시니 간극 관통 계획이 포기돼야만 했다. - P321

(토성) 고리의 입자를 우주선에서 근접 촬영하려면 우주선이 입자들과 같은 속도로 움직여 줘야 한다. 우주선의 속도를 입자들의 궤도 운동 속도인 시속 7만 2000킬로미터에 맞춘다면 우주선이 고리 입자의 정지 위성이 되는 셈이다. 이때 비로소 입자들이 고리 면에 길게 늘어선 띠가 아니라 개개의 입자로 구별되어 보일 것이다. - P322

토성의 고리를 이루는 작은 입자들이 모두 뭉쳐서 토성 주위를 하나의 큰 위성으로 공전하면 안 될 무슨 특별한 이유라도 있었는지 궁금하다. - P322

토성을 가까이에서 도는 입자일수록, 궤도 속도가 더 빠르다는 사실을 우리는 잘 알고 있다.(이것이 바로 케플러의 세 번째 법칙의 내용이다. 중심 천체에 가까울수록 떨어지는 속도가 빨라진다.) 그러므로 안쪽 궤도의 입자들은 바깥쪽 궤도에서 도는 입자들을 앞질러 간다. (우리가 알다시피 추월선은 왼쪽이다.) 물론 이것은 궤도 반지름이 짧을수록 그 공전 주기가 짧다는 케플러의 세 번째 법칙과도 일치하는 사실이다. 그러므로 토성의 고리 면에서는 인접 지역이 서로 ‘쓸리거나‘ 또는 ‘찢어지는‘ 듯한 운동을 하게 되며, 따라서 인접한 궤도에서 도는 두 입자는 만났다 헤어지기를 계속한다. - P322

고리 면의 평균 회전 속도는 초속 20킬로미터에 이르는 아주 빠른 속도이지만, 두 인접 입자의 상대 속도, 즉 추월 속도는 아주 느려서 분속으로 고작 수 센티미터에 불과하다. 입자들 사이의 중력은 스쳐 지나가는 두 입자를 하나로 모으려 하겠지만, 이 상대 속도 때문에 둘은 헤어질 수밖에 없다. 그러나 토성에서 멀리 떨어진 곳에서는 인접한 두 입자 사이의 상대 속도가 무시될 정도로 작다. 그러므로 서로 들러붙어 좀 더 큰 눈송이로 성장해 갈수가 있다. - P322

다시 말해서 입자들이 토성에 그다지 가깝지만 않다면, 추월로 인해서 헤어지는 효과가 거의 없기 때문에, 입자들은 상호 중력에 따른 합병으로 덩치를 점점 키워 가다가 결국 하나의 어엿한 위성으로 성장하게 된다. 그렇다면 토성의 고리 바깥쪽 먼 곳에 크기가 수백 킬로미터에서 거의 화성에 버금가는 타이탄에 이르기까지 일련의 위성들이 자리하는 것도 단순한 우연의 결과가 아닐 것이다. - P323

태양계에 있는 행성과 위성 모두가 처음에는 고리를 이루며 돌던 미세 입자들이 이렇게 서로 엉겨 붙어 큰 천체로 성장하는 과정을 거쳐서 형성된 것이다. - P323

공전 속도 v는 중심 거리 r의 제곱근에 반비례해서 감소한다. ...(중략)... 따라서 △r 만큼 떨어져 있는 두 입자의 궤도 속도 차 △V는 거리의 제곱근의 세 제곱에 반비례하여 감소할 것이다. - P323

이 식에서부터 우리는, 중심 천체에 가까울수록, 즉 중심 거리가 영에 수렴할수록(r→ 0), 상대 속도 △V가 엄청난 속도로 증가함을 알 수 있다. 즉 쓸림과 찢어짐의 효과가 크다. 반면에 중심에서 멀리 떨어질수록(r→ 무한대), 상대속도 △V는 빠르게 0으로 접근하므로 중력에 따른 합병을 방해할 찢어짐의 효과가 사라지게 된다. - P323

목성과 마찬가지로 토성에도 자기장이 있다. 자기장은 태양에서 방출되는 하전 입자들을 포획하여 가속시킨다. 이렇게 포획. 가속된 하전입자는 북극과 남극 사이를 빠른 속도로 왕복한다. 그런데 적도 부근에 고리 면이 펼쳐져 있으므로, 왕복 운동을 하던 하전입자, 즉 양성자와 전자 등은 고리 면의 얼음이나 눈덩이들에 흡수되고 만다. 따라서 목성이나 토성의 고리가 복사 벨트의 일부를 제거하는 역할을 한다. - P323

사실 복사 벨트는 고리의 안쪽과 바깥쪽에서만 찾아볼 수 있다. 위성도 하전 입자들을 흡수하므로, 위성 부근에서도 복사 벨트가 사라진다. 실제로 토성의 위성들 중 하나는 이런 원리를 이용해서 발견했다. 파이오니아 11호가 토성의 복사 벨트에 틈새가 있는 것을 발견했는데 학자들은 앞에서 설명한 원리에 근거하여 그 틈새에 위성이 있을 것이라고 추측했다. 그리고 얼마 후 그 예측대로 그때까지 알려지지 않았던 위성 하나가 바로 그 위치에서 발견됐던 것이다. - P323

태양풍은 토성 궤도 저 바깥으로, 즉 태양계의 외곽 지대로 나가면서 그 세력이 점점 약해진다. 단위 넓이를 단위 시간에 지나는 태양풍 입자들의 개수가 태양에서 멀어질수록 감소한다는 뜻이다. - P325

태양에서 명왕성까지의 거리의 2~3배 정도 더 멀리 떨어진 곳에 이르면, 성간을 떠도는 양성자와 전자들의 압력이 오히려 태양풍의 압력을 능가하기 시작한다. 거기가 바로 태양계와 그 바깥 세상의 경계 지대인 것이다. 천문학자들은 ‘태양 제국‘의 국경이라는 뜻에서 이 지역에 ‘태양권계太陽圈界 heliopause‘라는 이름을 붙여 줬다. - P325

(목성의 위성 이오의 표면 지도) 에 라Ra, 로키Loki, 마우이 Maui, 프로메테우스Prometheus 등의 이름이 붙여진 지역들 - P324

콜럼버스가 아메리카 대륙을 발견할 당시 항해사로 일하던 후안 데 라 코사Juan de la Cosa가 1500년에 작성한 신대륙 아메리카의 첫 번째 지도 - P324

그들은 하늘에 난 둥그런 구멍에 이르렀다...... 불처럼 빛을 내는 까마귀가 이것은 별이라고 말했다. - 에스키모의 창조 신화 - P327

나는 페르시아의 왕이 되느니, 차라리 인과율 하나를 터득하는 쪽을 택하겠소이다. - 아브데라의 데모크리토스 - P327

그(아리스타르코스)의 가정에 따르면 항성들이 박혀 있는 천구의 중심도 태양 부근에 있으며 항성들의 천구가 아주 크기 때문에 중심에 대한 그 천구 표면까지의 거리와 지구에서 항성들까지의 거리가 서로 비슷하다고 한다. -아르키메데스, 《모래를 헤아리는 사람》 - P327

감추어진, 동떨어진, 미지의 원인으로 인한 현상에 접하게 될 때, 사람들은 ‘신神‘이란 단어를 흔히 사용한다. 기존 원인의 자연적 근원인 이치理致의 생이 손에 잡히기를 거부할 때, 사람들은 이 신이라는 용어에 자주 기대게 된다. 원인에 이르는 실마리를 놓치자마자, 또는 사고의 흐름을 더 이상 쫓아가지 못하게 될 때 우리는 그 원인을 번번이 신의 탓으로 돌려서 당면한 어려움을 극복하고 그때까지 해오던 원인 탐구의 노력을 중단하고는 한다. - P328

어떠한 현상의 결과를 신의 탓으로 돌리기만 한다면 그것은 우리 자신의 무지를 신으로 대치하는 것과 무엇이 다르다고 하겠는가? 이제 ‘신‘은, 인간이 경외심 가득한 마음으로 듣는 데 익숙해져버린, 하나의 공허한 소리일 뿐이다. -폴 하인리히 디트리히 홀바흐 남작, 「자연계」, 1770년 - P328

나는 어릴 적에 뉴욕 시 브루클린의 벤손허스트 구역에서 살았다. - P328

미국 어린이들이 흔히 ‘중국식 핸드볼‘이라고 부르는 이 경기는 우리가 송구라고 알고 있는 정식 구기 종목이 아니다. 벽에서 튕겨오는 작은 공을 두꺼운 가죽 장갑을 낀 손으로 다시 받아 쳐서 벽에 맞게 한 다음 옆에 있는 상대에게 되돌려 보내는 식의 공놀이를 일컫는다. - P328

나는 별들이 불쌍해 보이기까지 했다. 내 주변 사람들의 무관심 때문에 그들이 가진 독특함이 완전히 잊혀지고 아주 평범한 것으로 취급받는 별들의 신세가 불쌍해 보였던 것이다. 나는 좀 더 깊이 있는 답을 듣고 싶었다. - P329

난 곧장 사서에게 달려가서 "스타들 stars"에 관한 책을 빌려 달라고 했다. 그녀는 클라크 게이블 Clark Gable, 진 할로Jean Harlow와 같은 남녀의 사진이 담긴 그림책을 가져왔다. 나는 그런 책이 아니라고 했다. 나는 그녀가 왜 그 책들을 가져왔는지 이해하지 못했다. 그러자 그녀는 웃음을 짓고 다른 책을 하나 찾아다 주었다. 내가 원했던 바로 그 책을 말이다. 내가 원하던 깊이 있는 답을 찾을 때까지 나는 숨을 죽이며 그 책을 읽어 내려갔다. - P329

그 책에는 깜짝 놀랄 만한 내용들이 많았다. 그 책은 참으로 장대한 세상에 관한 생각들로 가득했다. 그 책에 따르면 별이 태양이란다. 매우 멀리 떨어져 있기 때문에 작게 보일뿐이라는 것이었다. 우리의 태양도 수많은 별들 중 하나이고 별과 다른 것은 그저 우리와 가깝다는 사실밖에 없다는 것이었다. - P330

태양도 아주 멀리 가져다 놓으면 반짝거리는 빛의 점으로 보인다. - P330

얼마나 멀리 가져가야 할까? 그때 나한테는 각도라는 개념이 없었다. 빛의 세기가 거리의 제곱에 반비례한다는 법칙도 몰랐다. 별까지의 거리는 꿈에도 상상하지 못했다. 하지만 별들이 정말로 태양과 같은 존재라면 그들은 꽤나 멀리 떨어져 있는 게 틀림없다고 생각했다. 분명히 85번가보다 멀었다. 맨해튼보다 멀고 아마 뉴저지보다 더 멀 것 같았다. 우주는 내가 상상했던 그 어떤 것보다 훨씬 더 컸다. - P330