왜 모든 우주 천체는 회전을 하는 걸까?

우주 관련 영상을 보면 모든 천체가 회전하는 것을 알 수 있습니다.

특히나 블랙홀의 강착원반을 시뮬레이션한 영상이나, 마그네타와 같은 중성자 별을 보더라도 엄청 빠른 회전을 보이는데, 도대체 왜 우주 천체들 하물며 우리 몸과 모든 만물을 구성하는 원자까지도 회전을 하고 있을까요?

문득 궁금해져서 자료를 찾아봤습니다.

 

우주 천체의 회전 현상은 각운동량 보존 법칙과 중력적 상호작용의 결과로, 우주 구조 형성의 기본적인 물리 법칙에서 비롯됩니다.

이 현상은 원자 수준에서 은하 규모에 이르기까지 보편적으로 관측되며, 그 기작을 이해하기 위해서는 천체 형성 과정의 동역학을 분석해야 합니다.

 

(Image: © NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman)

1. 각운동량 보존 법칙의 지배적 역할

1.1 원시 성운의 수축과 회전 가속화

우주 천체의 회전은 원시 성운(primordial nebula)이 중력 수축을 겪으면서 시작됩니다.

초기 성운은 미세한 회전 운동을 가지고 있었으며, 수축 과정에서 각운동량 보존 법칙에 따라 회전 속도가 급격히 증가하는데, 이는 피겨 스케이팅 선수가 팔을 오므릴 때 회전 속도가 빨라지는 현상과 동일한 원리입니다.

 

수학적으로는 다음과 같이 표현됩니다:

 

L=Iω=상수

 

여기서 I는 관성 모멘트, ω는 각속도로, 성운의 반경이 줄어들면 I가 감소하므로 ω가 증가하여 빠른 회전이 발생합니다.

태양계의 경우, 원시 태양 성운이 현재 태양 크기의 1/100로 수축했을 때 회전 속도는 초기보다 약 10,000배 증가했을 것으로 추정하고 있습니다..

 

1.2 회전 원반의 형성

수축하는 성운은 회전에 의해 납작한 원반 구조를 형성합니다.

이 원반 내부에서는 물질이 층상으로 분리되며, 중심부는 항성(예: 태양)으로 응집되고 외곽부는 행성 및 위성으로 진화합니다.

원시 행성계 원반(protoplanetary disk)에서의 이 과정은 현재 ALMA 전파 망원경으로 직접 관측되고 있습니다.

 

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2. 중력적 불균형과 회전의 기원

2.1 초기 우주의 밀도 요동

빅뱅 이후 우주는 완벽히 균일하지 않았으며, 양자 요동(quantum fluctuation)에 의해 생성된 밀도 차이가 중력 불안정을 일으켰습니다.

이러한 불균일성은 비대칭적 물질 유입을 초래했고, 이는 자연스럽게 회전 운동으로 전환되었습니다.

예를 들어, 지름 100광년의 분자 구름이 중력 붕괴를 시작할 때 0.1%의 비대칭성만 있어도 지구 자전 속도의 1,000배에 달하는 각속도를 생성할 수 있습니다.

 

2.2 충돌과 각운동량 전달

원시 천체 형성 단계에서의 미행성체 충돌은 회전 운동을 강화시킵니다.

비정면충돌 시 입자들의 운동량 벡터 합이 순 각운동량을 생성하며, 이는 비껴 치기 효과(glancing collision effect)로 설명됩니다.

금성의 역행 자전은 지구 질량 20% 수준의 천체 충돌로 추정되며, 이 충돌로 인해 각운동량 벡터가 반전되었을 가능성이 있습니다.

 

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3. 다양한 규모에서의 회전 특성

3.1 항성계 단위

• 태양의 차등 회전 : 태양은 적도에서 25일, 극지방에서 34일의 자전 주기를 보이며, 이는 플라스마 상태의 유체 역학적 특성 때문입니다.
• 중성자별의 초고속 회전 : 펄사(pulsar)는 초당 수백 회 전속도로 회전하며, 이는 초신성 폭발 시 각운동량이 극도로 보존된 결과입니다.

3.2 은하 규모

우리 은하(밀키웨이)는 2.5억 년 주기로 회전하며, 이 회전은 암흑물질 헤일로의 중력에 의해 유지됩니다.

은하 원반의 회전 곡선(rotation curve) 분석에 따르면, 가시물질만으로는 설명할 수 없는 추가 중력원이 존재하며 이는 암흑물질의 존재를 암시합니다.

최근 연구에서는 은하 회전축이 우주 대규모 구조와 정렬되어 있다는 증거도 발견되었습니다.

 

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4. 회전의 진화적 영향

4.1 천체 형태의 변형

회전에 의한 원심력은 천체의 형상을 변화시킵니다.

목성의 적도 직경은 극지방보다 7% 길며, 이는 자전 주기 9시간 55분의 빠른 회전 때문으로 지구도 적도가 좀 더 불룩한 형태를 띠고 있습니다.

극단적인 경우, 초고속 회전하는 항성 아크투루스(Arcturus)는 적도 부름률이 20%에 달합니다.

 

4.2 자기장 생성

천체 내부의 대류 현상과 회전은 다이나모 효과(dynamo effect)를 일으켜 자기장을 생성합니다.

지구의 경우, 외핵의 액체 철-니켈 합금이 대류 하며 회전함으로써 지구 자기장이 유지됩니다.

이 효과는 목성에서 더 강력하여, 지구 자기장의 20,000배 세기에 달합니다.

따라서, 정확한 비유는 아니지만, 우리가 아무런 조치가 되지 않은 상태에서 목성에 가까이 간다는 것은 맨 몸으로 전자레인지 속으로 들어간 것과 다르지 않다고 할 수 있습니다.

 

목성의 대적반 회전 모습 Image Nasa

5. 예외적 사례와 한계

5.1 회전 없는 천체

일부 소행성과 혜성은 극도로 느린 자전을 보이는데, 이는 조석력에 의한 각운동량 소실 때문입니다. 예를 들어, 토성의 위성 미마스는 공전 주기와 자전 주기가 완전히 동기화되어 항상 같은 면을 토성으로 향하며, 이를 조석고정이라고 합니다.

조석고정의 경우 대표적이며 우리가 눈으로 매일 확인할수 있는 천체는 바로 달입니다.

달은 항상 지구 주위를 공전하며 한쪽면만 보이고 있기 때문에 우리도 달의 뒷편이라는 표현을 사용하기도 하는데, 그로 인한 여러가지 음모를 만들어 내기도 했습니다.

 

5.2 우주 전체의 회전 가능성

최근 이론물리학 연구에서 우주 자체의 회전 가능성이 제기되고 있습니다.

허블 상수 불일치 문제를 해결하기 위해 제안된 회전 우주 모델은 관측 데이터와 모순되지 않으며, 우주 배경 복사의 B-mode 편광 분석을 통해 검증이 시도되고 있습니다.

 

지금까지 이야기한 내용을 정리하면, 우주 천체의 회전은 각운동량 보존이라는 물리 법칙과 초기 밀도 요동의 필연적 결과이며, 원시 성운의 수축부터 은하의 대규모 구조에 이르기까지, 회전은 물질의 집적과 에너지 분배의 핵심 메커니즘으로 작용합니다.

2025년 현재, 제임스 웹 우주 망원경(JWST)과 중력파 관측소(LIGO)는 이러한 회전 현상의 미시적·거시적 연결고리를 해명하기 위한 새로운 데이터를 수집 중입니다.

회전이 단순히 천체의 운동을 넘어 우주 진화의 핵심 동력임이 점차 밝혀지고 있습니다.

우주의 천체들이 모두 회전하는 이유는?