천문학자들은 별과 행성의 나이를 어떻게 알까? [아하! 우주]

애덤 버거서 UC 샌디에고의 천체물리학 교수가 우주전문 사이트 스페이스닷컴(Space.com) 10월 9일자에 별, 행성의 나이 측정에 관한 최신 기법들을 소개했다.

행성과 별의 나이를 측정하면 과학자들은 행성이 언제 형성되고 어떻게 변화하는지, 그리고 행성의 경우 생명체가 진화할 시간이 있었는지 이해하는 데 도움이 된다.

불행하게도 우주에 있는 물체의 나이는 측정하기 어렵다. 태양과 같은 별은 수십억 년 동안 동일한 밝기, 온도 및 크기를 유지한다. 온도와 같은 행성의 특성은 종종 자신의 나이와 진화보다는 궤도를 도는 별에 의해 결정된다.

별이나 행성의 나이를 결정하는 것은 어린 시절부터 은퇴할 때까지 똑같이 생긴 사람의 나이를 추측하는 것만큼 어려울 수 있다.

별의 나이 추정

화석의 연대를 측정하는 것이 진화 연구에 핵심인 것처럼 항성의 나이를 파악하는 것은 천문학에서 중요한 문제다.

다행히도 별은 시간이 지남에 따라 밝기와 색상이 미묘하게 변한다. 매우 정확한 측정을 통해 천문학자들은 별에 대한 이러한 측정을 별이 나이가 들수록 어떻게 되는지 예측하고, 거기에서 나이를 추정하는 수학적 모델과 비교할 수 있다.

별은 빛날 뿐만 아니라 자전도 한다. 시간이 지남에 따라 자전 속도가 느려진다. 이는 회전하는 바퀴가 마찰에 의해 속도가 느려지는 것과 비슷하다.

천문학자들은 서로 다른 연령의 별들의 자전 속도를 비교함으로써 자이로 연대학(gyrochronology)이라고 알려진 방법으로 별의 연령에 대한 수학적 관계를 만들어낼 수 있었다. 이로써 천문학자들은 10%의 오차로 항성의 연대를 측정할 수 있게 되었다.

별의 자전은 또한 강력한 자기장을 생성하고 별 표면에서 발생하는 강력한 에너지 폭발인 항성 플레어와 같은 자기 활동을 생성한다. 별의 자기 활동이 꾸준히 감소하는 것도 별의 나이를 추정하는 데 도움이 될 수 있다.

별의 나이를 결정하는 더 발전된 방법은 성진학(asteroseismology)으로, 주파수 분광의 상호작용에 의한 맥동하는 별의 내부 구조를 연구하는 과학이다.

천문학자들은 별 내부를 통과하는 파동에 의해 발생하는 별 표면의 진동을 연구한다. 젊은 별은 늙은 별과 다른 진동 패턴을 가지고 있다. 천문학자들은 이 방법을 사용하여 태양의 나이를 45억 8천만 년으로 추정했다.

행성의 나이는 방사성 연대측정으로

태양계에서 방사성 핵종은 행성 연대 측정의 핵심이다. 이들은 오랜 시간에 걸쳐 천천히 에너지를 방출하는 특수 원자다. 자연 시계로서 방사성 핵종은 과학자들이 암석에서 뼈, 도자기에 이르기까지 모든 종류의 사물의 연대를 결정하는 데 도움이 된다.

과학자들은 이 방법을 사용하여 알려진 가장 오래된 운석의 나이가 45억 7천만 년이라는 사실을 알아냈는데, 이는 태양의 별지진학 측정치인 45억 8천만년과 거의 같다. 지구상에서 가장 오래된 것으로 알려진 암석의 나이는 44억 년으로 약간 더 젊다. 마찬가지로, 아폴로 임무 중 달에서 가져온 토양의 방사성 핵종 연대는 최대 46억 년이었다.

방사성 핵종을 연구하는 것은 행성의 나이를 측정하는 강력한 방법이지만, 조사 대상물을 손에 확보해야 가능한 일이다. 일반적으로 천문학자들은 단지 행성의 사진만 갖고 있을 뿐이다.

천문학자들은 종종 크레이터 수를 세어 화성이나 달과 같은 암석 우주 물체의 나이를 결정한다. 오래된 표면은 젊은 표면보다 분화구가 더 많다. 그러나 물, 바람, 우주선, 화산의 용암류로 인한 침식은 이전 영향의 증거를 지울 수 있다.

표면이 깊게 묻혀 있는 목성과 같은 거대한 행성에는 이 방법이 쓸모가 없다. 그러나 천문학자들은 달의 크레이터 수를 세거나 달에 의해 산란된 특정 종류의 운석 분포를 연구함으로써 연대를 추정할 수 있다. 이는 암석이 많은 행성에 대한 방사성 핵종 및 크레이터 생성 방법과 일치한다.

현재 기술로는 아직 태양계 외부행성의 나이를 직접적으로 측정할 수 없다.

이러한 추정치는 얼마나 정확할까?

우리 태양계의 나이는 최고의 정확성으로 측정이 가능하다. 왜냐하면 천문학자들은 지구, 달, 소행성에 있는 암석의 방사성 핵종 연대를 태양의 별지진학적 연대와 비교할 수 있고, 이 둘이 매우 잘 일치하기 때문이다.

플레이아데스나 센타우루스자리 오메가와 같은 성단의 별들은 모두 거의 같은 시기에 형성된 것으로 믿어진니다. 따라서 이 성단에 있는 개별 별들의 추정 연령은 동일해야 한다. 일부 별에서는 천문학자들이 암석과 토양에서 발견되는 중금속인 우라늄과 같은 방사성 핵종을 대기에서 검출할 수 있는데, 이는 다른 방법으로 연대를 확인하는 데 사용되었다.

천문학자들은 행성의 나이가 모항성과 거의 같다고 믿고 있으므로, 별의 나이를 결정하는 방법을 개선하면 행성의 나이도 결정하는 데 도움이 된다. 이 같은 미묘한 단서를 연구함으로써 정확한 별의 나이를 추정하는 것이 가능하다. 

이광식 과학 칼럼니스트 joand999@naver.com