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천문학

희미한 젊은 태양 역설'과 태양계의 나이

'희미한 젊은 태양 역설'과 태양계의 나이 

(The Young Faint Sun Paradox and the Age of the Solar System)


     많은 사람들은 생명체가 가능하도록 하는, 지구의 많은 고유한 특성들에 대해 잘 알고 있다. 이러한 특성들은 지구 대기의 구성 성분, 자전축의 기울어짐, 달의 존재, 지구 궤도의 모양, 그리고 태양으로부터의 거리 등을 포함한다. 지구와 태양의 거리는, 만일 조금이라도 가깝거나 멀면, 생명체가 살기에 너무 뜨겁거나 춥기 때문에 매우 중요하다. 태양에서 두 번째로 가까운 금성을 보자. 지구와 비슷한 크기, 질량, 구성 성분을 가지고 있지만 (때때로 사람들은 지구의 쌍둥이라고 부른다) ,극단적인 온실효과 때문에 태양계 내에서 표면온도가 가장 뜨겁다. 납을 녹일 정도로 뜨겁기 때문에, 금성에서는 생명체가 존재할 수 없다는 것은 명백하다. 진화론자들은 금성이 태양과 가깝기 때문에 초기의 온도가 지구의 온도보다 높았고, 따라서 원래 있던 물은 오래 전에 끓어 없어졌을 것이라고 믿고 있다. 이러한 물이 없다는 사실은 runaway 온실효과(아래에 설명되어 있음)라 하는 악순환에 의해서 금성의 온도와 여러 조건을 생명체가 살지 못하도록 심각하게 변형시켰을 것이다. 사람들은 지구도 태양으로부터 멀리 떨어져서 태어났다는 '우연한' 사실을 제외하고는 금성과 같은 운명을 겪게 되리라고 결론지을 지도 모른다.


한편 지구 다음의 행성인 화성은 매우 추운 곳이다. 적어도 얼음의 형태로 적은 양의 물이 그곳에 있다고 알려졌다. 그러나 화성 표면은 한때 물이 흐른 적이 있었다는 것을 암시한다. 그러나 그 물에 무슨 일이 일어났는지는 커다란 미스터리이다. 아마도 그 대부분은 얇은 화성의 대기를 통하여 서서히 증발해 버렸는지도 모른다. 아니면 많은 양이 지각 밑에 언 상태로 있는지도 모른다. 다른 커다란 미스터리는 태양으로부터 멀리 떨어져 있는데 어떻게 액체상태의 물이 존재 했었겠느냐 이다. 이러한 정도의 거리는 화성은 항상 매우 추운 세상임을 암시한다. 화성이 과거에는 따뜻했었는데 그 뒤 식었다는 시나리오는 생각하기 어렵다. 지구와 화성 간에는 크기, 질량, 구성 성분에 있어서 차이가 있다. 그러나 지구가 만일 화성의 궤도에 놓여 있으면 화성만큼 추울 것이다.


화성의 과거에 대한 미스터리는, 지금까지 받아들여지고 있는 태양의 진화의 과정을 고려한다면 더욱 깊어지며, 표준 천체 진화에 있어서 내부적 모순을 드러낸다. 이러한 진화는 지구에 대해서도 마찬가지의 문제를 야기시킨다. 항성들의 진화론(stellar evolution theory)에 따르면, 다른 별도 마찬가지지만 태양은 기체와 먼지구름이 수축하여 형성되었다고 한다. 중심으로 수축된 물질의 대부분은 태양을 형성했고 물질의 일부는 남겨져서 행성, 달, 성간물질, 혜성들을 형성했다는 것이다. 수축은 아마도 태양 중심에서의 핵융합에 의해 수소를 헬륨으로 변환시키는 조건이 만족될 때까지, 중력 포텐셜 에너지를 방출하면서 이루어졌을 것이다. 여전히 이론적인 의문이 남아 있고 관측으로 확인되어야 하지만, 다음과 같은 토론의 목적을 위해 이 모델이 진리에 가깝다고 가정하자. 핵융합이 태양에 계속 에너지를 공급한다고 가정하면, 이러한 과정은 아주 효과적인 에너지원이기 때문에, 태양은 아주 오랫동안 빛을 낼 수 있을 것이다. 계산을 해보면 현재의 밝기를 100억 년 동안은 유지할 수 있다. 대부분의 별들도 핵에서 일어나는 핵반응에 의해 에너지가 공급된다고 받아들여지고 있다. 이러한 상황을 주계열(main sequence)이라 부른다. 주계열은 별의 긴 수명의 커다란 부분을 대표하는 안정화의 기간으로 생각되고 있다.


태양은 46억 년 전에 만들어진 이래 주계열에 속해 왔다고 가정되어 왔다. 이 시간은 100억 년의 태양의 주계열 수명의 약 반이며, 따라서 태양은 아직도 저장된 에너지의 반을 사용했을 것을 의미한다. 이러한 사실은 태양의 핵에 있는 수소의 약 반이 소진되어 헬륨으로 대체되었음을 나타낸다. 화학 조성의 이러한 변화는 핵의 구조에 변화를 야기시킨다. 태양의 전체 구조도 변화되어야 할 것이다. 그래서 오늘날 태양은 46억 년 이전 보다 약 40% 더 밝을 것이다.


이러한 내용은 태양계 행성들의 온도에 커다란 영향을 미친다. 태양의 광도의 조그만 요동이 지구의 기후에 커다란 영향을 미친다고 일반적으로 믿고 있다. 태양 광도의 40% 변화는 현재 금성, 지구, 화성의 기후 차에 상당하는 극적인 기후 변화를 일으킬 것이다. 진화론에 따르면 약 4O억 년 전 지구에 처음 생명체가 나타나던 때의 지구의 온도는 지금의 온도와 비슷하다고 한다. 그러나 만일 그것이 사실이라면 태양 광도의 연속적인 증가는 지구를 너무 뜨겁도록 달구어 오늘날 생명이 살 수 없게 했을 것이다. 지구는 지금보다 차가왔고 서서히 따뜻해졌을 것이라고 천진하게 제안할지 모르지만, 지질학자들은 지구 암석의 기록으로부터 지구의 평균온도는 4O억 년 동안 별로 변하지 않았다고 주장한다. 생물학자들도 생명의 진화를 위해선 거의 일정한 온도가 필요하다고 주장한다. 이러한 문제를 초기 희미한 태양 역설(early faint Sun paradox)이라 부른다.


어떻게 이 역설이 해결되는가? 대체로 금성, 지구, 화성의 초기 대기가 지금의 상태와 매우 달랐으리라고 논의된다. 초기의 대기, 이를 때때로 원시대기라 부르는데, 수소가 아주 풍부한 상태의 환원성이었다. 산소의 대부분은 물의 형태로 존재하였을 것이다. 이 흐름에 따라 이 대기들은 다른 진화론적인 경로를 따라 현재의 이차 대기가 되었다. 이차 대기의 중요한 특징은 산화되었다는 점, 즉 대부분의 수소가 달아나고 산소가 다른 화합물과 재결합되었다는 것이다.


수많은 과정들이 이런 진화의 과정에 관여했어야 했을 것이다. 예를 들면 얻을 수 있는 산소의 많은 양이 탄소와 결합하여 이산화탄소를 이루었다. 지구에서는 이산화탄소의 대부분이 지각의 탄산염 바위에서 발견되나 금성에서는 앞에서 언급한 대로 극도의 온실효과를 일으키는 대기에서 발견된다. 왜 이리 다른가? 진화론자들은 runaway 온실효과가 금성에서 일어났다고 대답한다. 지구에서는 이산화탄소는 물에 녹아 탄산염 암석을 형성하여 침전된다. 지구의 지질학적으로 활동적인 표면은 판구조를 이용하여 이산화탄소를 재순환시켜 다시 대기로 내보낸다. 태양과 가깝기 때문에 금성은 지구보다, 만일 존재한다면, 훨씬 적은 물이 있었다. 물이 적다는 뜻은 대기로부터 이산화탄소를 제거했다는 것을 의미하고, 이것은 굉장히 큰 온실효과와 고온, 따라서 다시 물의 양을 적게 하였다. 이러한 악순환이 현재의 금성의 조건을 이루었다고 여겨져 왔다. 화성의 경우 어떠한 물이든 곧 얼어 붙어 이산화탄소를 효과적으로 제거할 수 없었을 것이다. 그리고 판구조가 없다는 사실은 이산화탄소가 탄산염암석에 보존되도록 하였다. 화성의 얇은 대기의 대부분이 이산화탄소지만 약한 중력으로 인해 대부분의 대기가 달아났고, 따라서 이 행성에서는 주목할만한 온실효과가 없다. 지구의 경우 이산화탄소의 대부분은 표면의 암석에 갇혀있다. 그러나 현재 가정되고 있는 생명의 진화도 역시 대기의 진화에 강한 영향을 미쳤을 것이라고 믿고 있다. 초기의 생명의 형태는 자유산소를 공기 중으로 도입시켰을 것이고 질소 같은 다른 기체들의 양을 조절했을 것으로 가정한다. 새로운 형태의 생명체가 진화됨에 따라 지구 대기의 기체의 혼합이 점진적으로 변화했다. 오늘날 보다 초기의 대기는 메탄 같은 온실효과를 일으키는 기체를 훨씬 많이 포함했을 것이라고 진화론에서는 제안한다. 이것은 훨씬 희미한 태양으로도 평균온도를 현재와 비슷하게 했을 것이다. 태양의 광도가 점차 증가함에 따라 지구의 대기도 이에 따라 진화했을 것이라고 가정한다. 그래서 온실효과를 일으키는 기체의 양이 서서히 감소하여 증가하는 태양광도를 보정했을 것이라고 가정한다.


이렇게 주장되는 일련의 정확한 공동진화(co-evolution)의 조율은 기적이나 다름없다. 이 세계를 움직이는 메커니즘은 비록 어떻게 그러한 자동제어가 일어나는지는 결코 명확하지는 않지만, 아주 점진적으로 작용하는 negative feedback의 복잡한 체계이어야 할 것이다. 어떤 점에서건 약간의 positive feedback은, 금성이나 화성의 경우와 비슷한 파국적인 결과로 이러한 체계를 완전히 붕괴시켜 버릴 것이다. 예를 들면 지구 대기의 현재 조성은 생명체의 넓은 다양성으로 인해 보존되고 있는 비평형 상태에 있다. 이래야만 된다는 진화론적인 당위성은 없다. 단지 그렇게 된 것이다. 따라서 믿지 못할 정도로 신빙성이 없는 생명의 기원과 진화는 태양과 동시에 지구 대기의 진화에 수반되었어야 했다. 이러한 사실을 골디락 증후(Godilocks syndrome)라 부를 수 있을 것이다.[1] (골디락은 어린이 동화에 나오는 세 마리의 곰 이야기).


믿지 못할 그러한 과정은 러브록으로 하여금 가이아 가설(Gaia hypothesis)을 제안하도록 하였다.[2, 3] 이에 따르면 생물권(지구의 대양, 대기, 지각, 모든 생명체를 포함하여)은 진화된 일종의 초유기체(superorganism)로 구성되어 있다. 생명은 태양의 광도가 증가함에 따라 자신을 보호하도록 스스로 변화한 대기와 같은 양상으로 발달하였다. 러브록의 가설은 영적인 내용을 함축하고 있기 때문에 일반적으로 받아들여지지 않고 있다. 참으로 이 가설은 신비주의적인 견해로 이끄는 듯이 보인다.


초기의 희미한 태양 역설을 야기한 물리적인 원리들은 잘 성립되어 있어 천체 물리학자들은 이 효과가 사실이라고 확신하고 있다. 결과적으로 진화론자들은 어떻게 지구가 에너지가 계속 유입되는데도 불구하고 거의 일정한 온도를 유지하고 있는지에 대한 두 개의 설명에 대한 선택을 가지고 있다. 첫째 대안에선, 방향성이 없는 변화를 통해 대기는 가열효과를 상쇄시키도록 진화하였다고 믿을 수 있다. 기껏해야 이것은 대기는 일련의 불안정한 평형상태나 심지어 비펑형상태를 통해 진화했다는 것을 뜻한다. 각각의 살아있는 유기체는 DNA에 암호화한 명령을 따라 이와 비슷한 일을 한다. 죽음은 생명의 복잡한 화학반응이 그치는 과정이고 세포는 재빨리 화학평형에 도달한다. 이러한 과정을 이끄는 외부의 지성이나 디자인이 없다면, 대기에도 비슷한 과정이 일어난다고 하는 것은 믿지 못할 정도로 가능성이 없다. 태양과의 어떤 형태로의 공생이나 진정한 feedback은 전적으로 불가능하다. 한편 어떤 형태의 생명력이 혹독한 시련을 거친 뒤 대기의 진화를 이루었다고 믿을 지 모른다. 비록 물리학에 이러한 경향이 있긴 하지만[4, 5], 대부분의 사람에겐 목적론적이고 영적인 함축을 지닌 이러한 설명이 구미에 맞지 않는다.


물론 세 번째 가능성이 있다. 아마도 지구/태양계는 수십억 년이 되지 않았고, 따라서 태양광도가 40% 증가하지 않았을 것이다. 만일 지구가 최근에 창조되었고 지금과 같은 대기를 갖도록 디자인 되었다면, 그리고 태양광도가 크게 변하지 않았다면, 젊고 희미한 태양의 역설은 해결된다. 초기 희미한 태양 역설이 태양계가 수천 년 되었다고 말하진 않지만, 수십억 년 되었다는 가정을 배제하는 것 같다.



References

[1] Rampino, M. R. and K. Caldeira, 1994. 'The Goldilocks problem: climatic evolution and long-term habitabilith of terrestrial planets' Annual Reviws of Astronomy and Astrophysics, vol. 32, Annual Reviews Inc., Palo Alto, CA, pp. 83-114

[2] Lovelock, J. E., 1987, Gaia: a New Look at Life on Earth, Oxford University Press, New York.

[3] Lovelock, J.E., 1995, The Ages of Gaia: a Biography of Our Living Earth, Norton Press, New York.

[4] Zukav, G., 1978, The Dancing Li Wu Master: an Overview of the New Physics, Morrow Publishing, New York.

[5] Capra, F., 1991, The Tao of Physics, Shambhala Press, Boston.

*Age of the Sun    http://creation.com/sun-age


*한국창조과학회 자료실/천문학/태양과 달

    http://www.kacr.or.kr/library/listview.asp?category=E03

*한국창조과학회 자료실/천문학/별, 태양계, 혜성에 있는 자료들을 참조하세요

    http://www.kacr.or.kr/library/listview.asp?category=E02



창조지 111호 [1998. 11~12]

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링크 - http://www.icr.org/index.php?module=articles&action=view&ID=429

출처 - ICR, Impact No. 300, 1998

구분 - 3

옛 주소 - http://www.kacr.or.kr/library/itemview.asp?no=34

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