모든 행성이 원형이 까닭은? 둥근 이유는 무엇일까?

지금 왼쪽에 보이는 천체는 사 삼삼 에로스라고 불리는 소행성이구요 오른쪽에 보이는 천체는 우리들의 고향 지구입니다. 
그런데 이 부분은 뭔가 이상하죠? 에로스와 지구는 서로 같은 구성 성분 두 천체 모두 암석으로 이루어져 있는데 왜 지구는 공처럼 둥글고 소행성 에로 쓰는 이런 말도 안 되는 모양을 하고 있는 걸까요?

결론부터 말하자면 지구가 공 모양을 할 수 있는 건 바로 중력 때문입니다. 
하지만 이것도 뭔가 정말 이상하죠? 사실 중력은 우주에 있는 네 가지의 기본 힘, 강력과 양력, 전자기력 중에서도 가장 약한 힘입니다. 

예를 들어 우리가 중력을 일이라고 가정한다면 가장 강한 힘인 강력은 중력의 천40배 정도 강하구요 두 번째인 전자기력은 천삼십팔배, 양력은 천26배 정도 강력하죠.
참고로 상대성 이론과 양자 역학이 서로 통합되지 않는 것도 중력이 너무 약해서라고 할 수 있는데요 중력의 경우 세 가지 힘 중에서 가장 약하긴 하지만 질량이 커지면 커질수록 강해지는 힘이기 때문에 우리나 행성처럼 질량이 큰 것이 세계에서는 세 가지의 힘보다 중력이 더 뚜렷하게
나타나지만, 질량이 너무 작은 양자의 세계, 미시 세계에서는 세 가지의 힘이 더 뚜렷하게 작용합니다. 

이로 인해 중력을 이용해 물체의 움직임을 설명하는 상대성 이론으로는 이런 양자들의 움직임을 설명할 수 없게 되죠이는 양자 역학도 마찬가지입니다. 
블랙홀처럼 중력이 너무 심하게 강한 곳에서는 물질들의 움직임을 설명할 수 없죠. 

그래서 상대성 이론과 양자 역학이 통합되지 않는 동시에
서로 너무나도 다른 이론처럼 보이는 겁니다. 
물론 우리의 기술이 더 발달해서 양자들 사이에 작용하는 중력을 발견하게 된다면 그때부터는 이야기가 달라지겠지만 아직은 이런 일이 가능할 것이라고 말할 수 있는 단계는 아니죠. 

어쨌든 이렇듯 중력은 너무나도 약한 힘입니다. 
그렇다면 이 약한 중력이 어떻게 행성의 모양을 바꿀 수 있는 걸까요?
민망하지만 앞에서 벌써 다 이야기했죠 바로 질량입니다. 

지구와 에로스를 비교해 보자면 지구의 경우 597위에 1의 24제곱 킬로그램이고요. 
에로스의 질량은 6,687에 10의 15 제곱 킬로그램인데요. 
이는 지구에 약 1, 119에 10의 마이너스 7제곱 퍼센트 밖에 되지 않는
작은 값입니다. 이로 인해 지구는 에로스보다 더 강한 중력을 가지게 되죠. 

그리고 이렇게 강력해진 중력은 지구의 모든 것들을 지구의 중심, 우리를 기준으로는 아래로 끌어 당기게 됩니다. 
예를 들어 이런 산꼭대기에 돌이 하나 있다고 가정해 보죠. 
만약 여기서 이 돌이 안정적으로 있는 게 아니라 불안한 상태에 있다면 어떨까요? 당연히 이 돌은 아래로 떨어지게 되겠죠 물론 설악산에 흔들 바위가 생각날 수도 있는데 이건 반칙이니까

넘어가도록 하겠습니다. 어쨌든 이런 돌이 하나가 아니라 여러 개라고 생각해 보면 이 돌들이 떨어지면서 자연스럽게 아래에 있는 구덩이는 메워지게 되고요. 
이런 식으로 계속해서 물질들이 아래로 모이게 되면 행성은 점점 안정적인 형태, 높은 곳에서 떨어질 물질들이 사라진 상태를 가지게 되죠. 

천체의 모든 표면이 어느 정도 모두 같은 높이가 된다는 겁니다. 
그리고 어떤 점을 중심으로 모든 곳에 높이가 같은 모양은
공 밖에 없죠. 또 목성처럼 가스로 이루어진 천체의 경우 공 모양이 되는 것이 더 쉽습니다. 

여기 유자 모양에 관이 하나 있다고 가정해보죠. 
우리가 이 관에 물을 천천히 넣으면 어떤 일이 일어나게 될까요? 당연히 이 관에 들어간 물을 중력이 누르기 때문에 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하게 되고 이로 인해 관에 들어있는 물의 높이는 항상 같아지게 됩니다. 

기체도 이와 마찬가지죠. 눈에 쉽게 보이진 않겠지만 이 유자관에 기체를 넣어도 결과는 항상 같습니다.
참고로 떨어지는 물방울의 모양이 공 모양인 것도 볼 수 있는데요. 
이건 중력이 아니라 표면 장력에 의해 나타나는 현상입니다. 

표면 장력은 단순하게 표면이 최대한 작은 면적을 가지려고 하는 성질을 말하는데요. 
이런 성질로 인해 물이 떨어질 때에 최대한 작은 면적, 무수히 많은 점을 표면에 만들게 되면서 공 모양으로 떨어지게 되는 겁니다. 

그런데 이 부분도 조금 이상하긴 하죠
중력에 의해 표면의 물질들이 행성의 중심으로 떨어지며 공 모양을 만들 수 있다고 하더라도, 중력 그 자체가 돌을 부을 순 없죠. 
극단적으로 예를 들어 성격 나빠 보이는 불가사리를 닮은 행성의 경우, 아무리 위에서 돌이 떨어진다고 해도 이 구덩이를 전부 다 메울 순 없을 겁니다. 

그렇다면 이건 어떻게 설명할 수 있을까요? 사실 이 부분에서부터 진짜 질량이 필요하게 됩니다. 
왜냐면 행성을 둥글게 만들기 위해서는 압력이 필요하기 때문이죠. 
우리는 매일 지구의 중력에 의해 당겨진 공기의 압력이 우리를 누르는 힘
기합을 받으며 살아가고 있습니다. 보통 우리가 일상생활에서 받는 압력은 일 에이티엠으로, 1 제곱 센티미터의 면적을 약 1 킬로그램의 힘으로 누르는 정도의 힘이죠. 

바로 이 힘이 지구를 둥글게 만드는 힘입니다. 
예를 들어 우리가 지구의 표면에서 느낄 수 있는 압력은 앞에서 이야기한 것처럼 일 에이티엠에 불과하지만, 물이나 땅 아래로
깊숙이 내려갈수록 압력은 점점 더 강한 힘을 발휘하게 되는데요. 

예를 들어 공기보다 밀도가 높은 물의 경우, 십 미터를 내려갈 때마다 일 에이티엠씩 압력이 증가하게 되고요. 
수심이 약 삼천칠백사십이미터 정도 되는 동해안을 기준으로 하자면, 순수한 물을 기준으로 이 아래에서는
약 3백7십5에이tm, 약 3백7십5킬로그램에 달하는 힘이 누르는 것과 같은 압력을 느낄 수 있습니다. 

그리고 이는 보통 연암, 퇴적암이라고 불리는, 상대적으로 부드러운 암석의 모양을 변화시킬 수 있는 힘이죠. 
물론 이는 동해안을 기준으로 했을 때 압력이고, 지구에서 가장 깊은 바다인 마리아나 해구의 경우 공식적으로 약 만 9백
14미터의 수심을 가지고 있을 것으로 예상되는데요. 

이 아래에서는 다시 순수한 물을 기준으로 압력이 약 1천 구십구 에이티엠까지 올라가게 되고요. 
이는 약 1톤의 힘이 누르는 것과 같은 힘이기 때문에, 아주 단단하게 압축되어 있는 극경암을 제외한 거의 모든 암석의 모양을 바꿀 수 있는 힘입니다. 

하지만 여기가 끝이 아니죠.
물보다 밀도가 더 높은 암석의 경우, 물의 뺨을 두 번이나 칠 정도로 강한 압력을 가지게 되는데요. 
암석의 경우 약 3.8미터를 내려갈 때마다 1에이tm씩 압력이 증가하니까 마리아나 해구의 수심과 같은 깊이로 땅을 파고 내려갈 경우, 이곳에서의 압력은 2천8백92 에이tm 약 2.9톤에 달하는 힘을 느낄 수 있습니다. 

그래서 최종적으로 지구의 중심까지 내려가게 되면, 이곳에서는
약 350만 atm의 압력, 약 350만 킬로그램에 달하는 힘을 받게 되죠. 
이 정도면 어떤 암석이든 뭐든 다 난리 나겠죠 중력으로 물질을 끌어당겨 구덩이는 어느 정도 메울 수 있지만, 근본적으로 압력을 이용해 자신의 모양을 바꿀 수 있어야 한다는 거죠. 

이런 이유 때문에 질량이 필요한 겁니다. 
이번에는 에로스와 비교해 보죠.
에로스의 경우, 평균 반지름이 84킬로미터 정도 되는데요. 

평균 반지름으로만 따져봤을 때, 에로스의 중심에서 받을 수 있는 압력은 약 2210에tm 정도로, 지구 내부의 0.06%밖에 되지 않는 압력을 가지게 되죠. 
물론 이 값은 에로스의 평균 반지름을 이용한 값이기 때문에 실제로 내부의 압력은 이것보다 더 약하고요. 
또 중심의 압력이 약하다는 건
그만큼 표면에서 작용하는 압력도 약하다는 걸 의미합니다. 

이로 인해 질량이 부족해 충분한 압력을 가질 수 없는 에로스는 지구처럼 둥근 공 모양을 가질 수 없게 되죠. 
조금 더 단순하게는 산을 예로 들면 상상하기 편합니다. 
지금 왼쪽에 보이는 산은 지구에서 가장 높은 산인 에베레스트 산이고요 오른쪽에 보이는 산은 올림포스 몬스라고 불리는 화성의 산입니다.

이 두 산의 고도를 확인해 보면, 에베레스트 산의 경우 고도가 884킬로미터, 올림포스 몬스는 약 22킬로미터로, 화성의 산인 올림포스 몬스가 더 높은 걸 확인할 수 있죠. 
바로 이 부분입니다. 화성은 지구의 질량에 10.6%밖에 되지 않습니다. 

표면에서 받을 수 있는 압력이
지구보다 약하다는 거죠. 그래서 화성의 표면에서는 높은 산이 쉽게 생길 수 있습니다. 
화성과 지구에 같은 물질로 이루어져 있고, 또 같은 높이를 가지는 산이 있다고 한다면, 화성에 있는 산이 받는 압력이 지구보다 더 낮기 때문에 화성의 산이 더 안정적으로 있을 수 있다는 거죠. 

그리고 에로스도 이와 마찬가지입니다. 
에로스의 표면에서 받을 수 있는 압력이 워낙 낮
있기 때문에 행성의 모양이 망가질 정도로 높은 산을 가지고 있는 거죠. 

이렇듯 천체의 질량이 작으면 작을수록 거대한 산을 가질 수 있기 때문에 공 모양을 가지기 힘들고요 반대로 천체의 질량이 크면 클수록 더 동그란 모양을 가질 수 있죠. 
하지만 이것만으로는 조금 부족하죠 질량에 따라 행성의 모양이 결정된다면, 이 질량에 어떤 기준이 존재하지 않을까요?
사실 정확한 기준은 존재하지 않습니다. 

왜냐면 구성 물질에 따라 얼마든지 선체의 모양이 바뀔 수 있기 때문이죠. 
예를 들어 여기 서로 같은 질량을 가지는 소행성 에이와 해성 비가 있다고 가정해 보겠습니다. 
이 경우 이 두 천체는 같은 질량을 가지지만, 소행성 a는 주로 단단한 암석으로 이루어져 있고요 해성 비는 대부분 이보다 더 부드러운 얼음으로만들어졌죠. 

 

이로 인해 같은 질량을 가지더라도 소행성 a는 이렇게 말도 안 되는 모양을 가지게 되고, 해성 비는 말끔한 곡 모양을 유지할 수 있습니다. 
이렇듯 천체의 구성 물질에 따라 작은 압력으로 쉽게 공 모양이 될 수도, 그렇지 않을 수도 있기 때문에, 행성의 모양을 결정하는 어떤 정확한 기준을 정할 수
없게 되죠. 물론 이렇게만 끝내면 조금 찝찝하니까 애매하지만 조금 기준을 정해보자면 단순하게 중심의 압력이 최소한 약천 atm을 넘길 수 있어야 한다고까지는 말할 수 있습니다. 

마지막으로 정리해 보자면 이 두 천체 지구와 에로스의 모양이 달랐던 건 질량의 차이라고 할 수 있었는데요.
자신이 가진 물질을 모든 방향으로 눌러 모양을 변화시킬 수 있을 정도로 충분한 질량, 충분한 압력을 가진 지구는 둥근 모양을 가질 수 있었고요. 

반대로 충분한 압력을 가지지 못해 물질의 모양을 쉽게 변화시킬 수 없었던 에로스는 지구처럼 동그란 공 모양을 유지할 수 없었죠. 
물론 행성을 이루는 물질들의 강도, 소행성과 혜성처럼
천체를 이루는 물질의 성분도 행성의 모양을 결정하긴 하지만 근본적으로는 자신의 모양을 바꿀 수 있는 충분한 압력이 필요하다고 말할 수 있죠. 

따라서 행성의 모양을 결정하는 건 결국 중력이라고 결론 내릴 수 있습니다. 
영상 봐주셔서 감사합니다. 구독과 좋아요 알림 설정 잊지 마시고요. 
사실 행성의 모양을 결정 짓는 건 중력이라고 할 수 있지만 단순하게는 행성의 안정성이라고도 할 수 있습니다.

지구는 둥근 모양이 안정적이고, 소행성은 말도 안 되는 모양을 가질 때 안정적이라는 거죠우리도 이와 비슷할 겁니다. 
우리도 우리만의 모양이 있고, 그 모양이 가장 안정적이라고 할 수 있죠.