별들은 왜 개성없이 모두 공처럼 둥글까?

‘블루 마블’. 1972년 12월 7일 달로 향하던 아폴로 17호의 승조원들이 되돌아본 지구의 모습. 천체가 둥근 것은 중력의 작용 때문이다.(출처=NASA)

별만 둥근 것이 아니라, 지구나 달도 다 둥글다. 여기서 ‘천체는 다 둥글다’란 대체적인 결론을 내릴 수 있다. 그런데 왜 개성 없이 똑같이 둥글기만 할까? 정답은 중력의 작용 때문이다.

지구가 공처럼 둥글다는 사실을 인류가 맨처음 직접 눈으로 확인한 것은 1972년 12월 7일이었다. 달로 향하던 아폴로 17호의 승조원들이 되돌아본 지구의 모습은 ‘푸른 구슬’ 하나가 우주에 둥실 떠 있는 광경이었다. 선장 유진 서넌은 이 광경을 렌즈에 담았고, ‘푸른 구슬’이라는 뜻의 블루 마블(The Blue Mable)이라는 이름으로 가장 유명한 천체사진으로 등극했다.

이처럼 지구가 공같이 둥근 것은 중력의 세기가 거리와 밀접한 관계가 있기 때문이다. 물질은 중력으로 뭉쳐지게 되는데, 중력은 중심에서 작용하는 힘으로, 중력의 방향은 항상 물체의 중심으로 향한다. 중심에서 주위의 어느 쪽으로도 치우쳐지지 않는 균형된 중력의 세기를 유지하는 도형, 그것이 바로 구인 것이다. 자연은 이유 없이 어떤 것을 특별히 봐주지 않는다. 이처럼 방향에 구애받지 않는 성질을 구대칭이라 한다.

좀더 구체적으로 설명하면, 중력은 물체를 위치 에너지가 높은 곳에서 낮은 곳으로 움직이게 만들므로 물질들은 위치 에너지가 낮은 곳에서부터 쌓이기 시작한다. 따라서 높낮이가 심한 표면의 울퉁불퉁함이 점차 매끈하게 변형된다. 덩치가 큰 행성의 중력은 중심을 향해 구형 대칭으로 작용하기 때문에 물질이 구형으로 쌓이게 되면서 공 같은 구형을 이루게 된다.

NASA의 화성정찰위성(MRO)이 찍은 데이모스. 매끄럽게 보이는 표면에 최근 충돌한 것으로 보이는 크레이터가 흩어져 있다.(출처=NASA/JPL/University of Arizona)

이는 지구뿐 아니라 별이나 큰 행성, 위성들 마찬가지다. 천체의 지름이 500km가 넘으면 중력의 힘이 압도적이 되어 제 몸을 둥글게 주물러 구형으로 만드는 것이다. 이에 비해 작은 소행성들이 감자처럼 울퉁불퉁하게 생긴 것은 덩치가 작아 제 몸을 둥글게 주무를 만한 중력이 없기 때문이다.

그런데 사실 지구는 완전한 구체는 아니다. 극 지름보다 적도 지름이 43km 더 긴 배불뚝이다. 하지만 그 비율은 0.3%에 지나지 않으므로 거의 완벽한 구형이라 할 만하다. 가스 행성인 목성이나 토성은 더 심한 배불뚝이인데, 그것은 자전속도와 깊은 관계가 있다. 축을 중심으로 빠르게 자전하는 천체는 적도 방향으로 원심력이 작용하므로 적도 부분이 부풀게 되는 것이다.

별의 경우에는 가스체이므로 구형이 아닌 것은 존재할 수가 없다. 항성이 되기 위한 최저 질량의 한계가 태양질량의 8.3% 또는 목성 질량의 87배가 되어야 한다는 사실이 알려져 있다. 우주에서 발견된 가장 작은 별은 'EBLM J0555-57Ab'라는 항성으로, 그 크기는 목성(지름 14만km)보다 작고 토성(지름 12만km)보다 약간 큰 정도다. 만약 이보다 더 작으면 수소 핵융합이 불가능한 것으로 보인다. 그런 천체를 갈색왜성이라 한다. 가스체인 별은 자전할 때 적도 부분이 더 큰 원심력을 받으므로 적도 지름이 좀더 큰 배불뚝이 구형을 띤다.

참고로, 밤하늘의 별이 둥글게 보이지 않고 별표(★)처럼 보이는 것은 지구 대기의 움직임이 별빛을 산란시키기 때문이다. 강바닥에 있는 돌을 물 밖에서 볼 때 일렁여 보이는 것과 같은 이치다. 그래서 천문대를 대기 일렁임이 적은 높은 산 위에다 세우는 것이다.

[서울신문 나우뉴스] 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com