태양계 행성들!!

수성 (Mercury)

태양에서 가장 가까이 있는 행성인 수성은 언제나 태양 옆에 붙어 다니기 때문에 관측하기가 쉽지 않다.  수성을 볼 수 있는 때는 해가지고 바로 서쪽하늘에서거나, 해가 뜨기 직전 동쪽 하늘에서만 볼 수가 있다.  그리고 맨눈으로는 구별하기가 어렵겠지만 망원경으로 수성을 보면 달고 같이 그 위상이 변하는 것을 알 수 있으며 표면의 모습이 달과 매우 비슷하다.
 
수성의 기원과 대기
수성은 어떻게 만들어졌을까? 수성의 핵은 그 몸집에 비해서 매우 큰데 그 이유에 대해서는 두 가지의 얘기가 나온다.
하나는 태양계 구성 물질의 차이 때문이라는 것과 또 하나는 충돌 때문이라는 것이다.
후자의 주장에서는 철로 이루어진 핵과 암석으로 이루어진 맨틀로 형성되는 두 원시 행성 사이에서 대규모 충돌이 일어나서 철로 이루어진 핵은 충돌에너지로 변형되고 합체가 되지만 암석층의 대부분은 우주 공간으로 날아가 없어져 버린다는 것이다.
이후 암석의 일부는 다시 모이게 되고 커다란 핵을 구성은 현재의 수성이 되었다는 얘기이다.
수성이 최대이각일 때 즉, 수성이 태양으로부터 가장 먼 각거리에 있을 때 망원경 관측이 가장 잘 된다.  이 때 관측한 몇몇의 관측자는 수성에서 희미한 안개와 비슷한 것을 보았다고 주장하지만
수성에 대기가 존재한다는 증거는 아직까지 발견되지가 않았다.
수성에 대기가 없다는 사실은 수성의 질량이 작고 표면 온도가 높다는 사실과는 상관없다.

수성의 표면
수성의 표면은 거의 달과 흡사하여 사진으로는 거의 구분이 가질 않는다.
카미셀과 돌푸스는 달의 바다, 고지와 비슷한 표면 무늬를 관측하고 수성의 지도를 작성했다.
수성의 적도 부근은 정오에 태양을 바라 볼 때 섭씨 430도까지 올라가고, 해가 질 때에는 섭씨 150도로 내려가고 한 밤중에는 영하 170도까지 떨어진다.
한편, 최근 미국 나사는 수성의 더 자세한 탐사를 위해 메신저 탐사선을 수성으로 보냈으며
2011년 07월 수성궤도에 안착하기까지 수성에 여러 번 접근하면서 탐사하게된다.

 

수성의 궤도
태양계의 행성중에서 태양에 가장 가까이 있는 수성은 눌려진 타원 모양의 궤도를 하고 있다.
그래서 근일점과 원일점의 차이가 많이 나는데 근일점은 4천 6백만 km, 원일점일 때는 6천 9백 82만km로 약 2천만km의 차이가 있다.
궤도가 작고 공전 속도가 빠르기 때문에 공전 주기는 88일밖에 되지 않는다.
즉 수성에서는 88일이면 1년이 지나가는 것이다.
레이더 관측에 의해서 수성의 자전 주기가 정확하게 측정되었는데 주기는 공전 주기의 2/3에 해당하는 59일이다.
이것이 의미하는 것은 공전을 2번 할 때 수성의 동일한 표면이 태양을 향하게 되는 것으로 밤과 낮이 바뀌는 기간이 88일,
즉 하루가 176일이 되는 것이다.

 

 

금성 (Venus)

금성은 우리가 흔히 "샛별" 이라고 부르는 행성으로 해 뜨기 전 동쪽 하늘에서 보이거나 해진 후 서쪽 하늘에서 보인다. 옛날 사람들은 새벽에 보이는 금성과 저녁에 보이는 금성이 서로 다른 별이라 여기고 아침별과 저녁별이라고 불렀다. 금성은 그냥 보면 하나의 점처럼 보이지만 망원경으로 보면 달처럼 그 모습이 변하는 위상을 가 지고 있다. 대기는 두꺼운 이산화탄소로 덮혀 있기 때문에 망원경으로는 표면이 보이지 않을 뿐 아니라 용광로처럼 뜨거운 표면을 가지고 있다. 그래서 관측도 레이더 전파나 우주선으로 하고 있다. 금성은 아름다운 이름과는 달리 지옥과 같은 곳이다.

금성의 대기

1962년부터 1989까지 금성을 탐사하기 위해 미국과 소련의 많은 우주선이 발사되어 많은 사실들이 밝혀졌다. 금성의 대기는 이산화탄소가 약 96%로 가장 많이 차지하고 있으며, 질소가 3%, 아르곤과 수증기가 0.1~ 0.4%, 미량의 산소, 염화수소, 불화수소, 황화수소, 이산화황, 헬륨, 일산화탄소로 이루어져있다. 금성의 표면 온도는 470도나 되는데 이것은 짙은 이산화탄소가 대기층을 이루고 있기 때문이다. 최근 허블우주망원경이 찍은 사진에 의한 금성의 기후가 급격하게 변하고 있음을 알 수 있으며, 산성비로 대기 중에 이산화황이 90%이상이나 감소한 것으로 나타났다. 금성 대기의 높이는 약 65km정도이며, 대기 상층부는 2개층의 구름으로 되어있다. 이 구름 층들은 액체와 고체의 입자들로 이루어져 있으며 입자들의 90%가 황산이다. 금성의 구름층은 워낙 두껍기 때문에 지구에서의 관측으로는 금성 표면을 알 수가 없다.

금성의 표면

구 소련의 베내라 우주선의 표면 사진에서 보면 표면은 암석들로 뒤덮혀 있으며 암석들에 구멍이 나 있는 것으로 봐서는 화산 활동에 의한 것인 것 같다. 또 파이어니어/비너호가 레이더를 이용해서 만든 금성 표면 지도를 보면 산, 고원, 협곡, 화산, 산맥, 크레이터로 이루어져 있다. 이런 지형들이 있긴 하지만 고도변화가 완만한 편이다. 마젤란 우주선에 의한 표면탐사에서 크레이터, 침식지대, 고원, 화산등이 선명하게 나타났다. 사진을 분석한 결과 화산들중에서 아직도 활동하고 있는 화산이 있다고 생각하고 있다. 또한 금성 표면에 새로운 지표면이 생겨나고 있는데 이것은 바람에 의한 풍화작용에 의한 것이라기 보다는 용암이 흘러내려 크레이터 부분을 덮고 있는 것이라고 본다.
 
금성의 궤도

금성의 궤도는 행성들의 궤도 중에서 가장 원에 가깝다. 공전 궤도는 지구보다 140여일이 적은 225일이며 레이더 관측에 의해 알아낸 금성의 자전주기는 243일이다. 공전주기와 자전주기가 비슷하여, 금성에서의 낮과 밤은 각각 지구의 117일 동안 지속된다. 더 재미있는 것은 금성의 자전 방향은 지구와 반대된다는 것이다. 다시말하면 우리가 만약 금성에서 태양을 본다면 서쪽에서 떠서 동쪽으로 질 것이다.  

 

 

지구 (Earth)

지구는 어떻게 태어났을까요?

지금까지 발견된 행성으로는 유일하게 표면에 물과 생물이 살 수 있고 대기가 존재하는 우리의 보금자리가 지구이다. 우주에서 봤을 때 푸른색의 와 녹색의 산과 갈색의 흙에 흰색의 구름이 너무도 조화를 잘 이루고 있는 아름다운 행성이다. 지구의 나이는 46억년이라고 알려져 있으며, 생명체는 약 35억년전에 나타났다고 추측하고 있다. 원시 태양 주위에 있던 엄청난 수의 미행성이 충돌, 합체하여 원시 지구를 탄생시켰다. 탄생 직후의 지구는 고온의 마그마 바다였으나 미행성의 충돌이 잠잠해지면서 냉각하기 시작하고 얇은 지각이 형성되었다. 이산화탄소가 주성분이었던 원시 대기가 비를 내림으로써 바다가 형성되고, 이산화탄소가 바다로 녹아 들어감에 따라 하늘이 맑아졌다. 35억년~25억년전쯤에 지표의 온도가 지구 온도와 가까웠고 지구 환경도 안정기에 접어들었다. 35억년전에 비로소 지구에는 원시 생명이 바다로부터 탄생한 것으로 추측하고 있다. 
 
지구의 궤도
지구의 궤도도 다른 행성들처럼 거의 원에 가까운 타원으로 돌고 있다. 태양으로부터의 거리는 1억 4천 9백 60만km로, 우리가 1AU(Astronomy Unit)라고 정의하는 것이다. 지구는 태양주위를 1년에 한 바퀴씩 돌기위해 초속 30km로 돌고있다. 지구의 자전은 갈수록 늘어나고 있다고 한다. 이것은 바다속의 산호와 그 외 침전물을 연구함으로서 알려졌는데, 약 9억년전에는 자전주기가 18시간정도였다고 한다.

 

달 그리고 일식과 월식
지구의 하나뿐인 위성 달은 가장 가까이 있는 천체로, 우주 탐사의 최초의 목적이자 가장 많은 탐사선이 보내진 곳이다. 달, 지구가 태양을 가림으로써 발생하는 일식과 월식은 과거 커다란 재앙의 증거나 공포의 대상이었지만, 현재는 일반인들에게 흥미만점의 자연 현상이 되었다. 또한 달은 옛날부터 음력의 날짜를 따로 만들어 사용할 정도로 인간 생활에 많은 영향을 주었다.
 

하늘은 왜 파랗게 보일까?

지구의 대기는 태양빛중에서 장파장인 푸른빛을 산란시키기 때문이다. 지구에 생명체가 존재할 수 있는 이유도 지구 대기가 있기 때문인데 산소의 공급과 태양의 자외선 차단, 적당한 열을 분포시켜주기 때문이다. 주성분은 질소로서 78%를 차지하고 있고, 산소, 아르곤, 이산화탄소로 구성되어 있으며 때와 장소에 따라 변하는 수증기가 있다. 지구는 태양계가 생성될 당시 가지고 있던 최초의 원시 대기는 상실하였으나 지구 내부의 작용과 그에 따른 가스의 분출로 인하여 2차적인 대기가 형성되었다고 생각하고 있다. 지구의 질량과 중력에 의해서 대기는 지구를 벗어나지 못하고 머물고 있는 것이다. 지구 대기는 크게 4개의 층으로 나누어져 있는데 대부분의 대기 현상이 일어나는 대류권, 공기가 희박하여 안정적인 성층권, 그 다음으로 중간권, 열권의 순서이다. 극지방에서 일어나는 오로라는 열권에서 일어나는 현상이다.
 

지구의 자기장과 표면

지구는 하나의 거대한 막대 자석이다. 그래서 나침반을 들고 있으면 빨간 침이 북쪽을 가리키는 것이다. 지구가 자석의 성질을 가지게 된 것은 다이나모 이론인데 금속성 액체인 핵에 의한 것이다. 지구 자성체에 의해서 지구 주위에는 자기장을 형성하며 자기권을 만든다. 이 자기권은 태양풍이 불어왔을 때 그 입자가 지구로 들어오지 못하고 묶이게 되는 반 알렌 복사대를 형성한다.
지구 표면은 70%나 되는 바다와 나머지 산과 평지로 되어 있다. 지각은 흘러내린 용암이 굳어서 생간 화성암으로 되어 있는데, 대륙은 화강암 바다밑은 현무암으로 이루어져 있다. 암석에는 화산활동으로 지구 내부에서 나온 마그마가 굳어서 만들어진 화성암과, 화성암이 변해서 이루어진 변성암, 동물들의 유해나 다른 암석부스러기들이 쌓여서 만들어진 퇴적암으로 되어있다. 이들 암석을 구성하고 있는 화학 성분은 함량비에 따라 구성비의 순서대로 산소, 규소, 알루미늄, 철, 칼슘, 마그네슘, 나트륨, 칼륨이다. 그리고 바다의 형성은 지구내부에 존재하고 있던 수증기가 화산 폭발로 인하여 함께 나와 바다의 물을 이룬 것이다.

지구 내부

지구 내부를 탐사하기 위해서는 지진파를 이용하는 방법밖에 없다. 이런 방법으로 알아낸 지구 내부 구조는 12000km지름을 가지고 있으며 그의 중심에는 약 5000K의 온도, 12000kg/m3의 밀도를 가지고 있는 철-니켈성분의 중심핵이 있다. 표면으로부터 3000km 이하에는 S-지진파가 존재하지 않는데 그것은 그 부분이 액체 상태에 있음을 뜻한다. 그러나 P파로 탐색해 본 결과 표면에서 5000km 깊이에서는 다시 고체로 되어 있을 가능성이 높다. 맨틀은 표면에서 3000km 깊이까지 분포되어 있으며 고압하에서 점성이 큰 유체나 비결성 매질과 유사한 특성을 지니고 있어서 매우 느린 속도로 움직이고 있다. 지각은 맨틀의 밀도보다 낮기때문에 지각이 맨틀 위를 떠돌아 다니며 지표의 모양을 바꾸어 오늘날과 같은 모습의 지구가 된 것이다. 이렇게 지각이 맨틀 위에 떠 있다는 이론이 판구조론이다. 이 이론에 의하면 맨틀 위의 판과 판의 운동 사이에서 발생하는 것이 지진이다.
 

 

 

화성 (Mars)

제 2의 지구
영화 "화성 침공", 소설 "화성인" 같이 태양계 행성 중 우리의 관심을 많이 끈 행성, 생명 존재 가능성이 많은 존재로서 우리에게 신비감과 공포감을 동시에 가져다 준 행성이 바로 화성이다. 이런 관심은 마리너 6,7,8,9호, 바이킹 1,2 호등 많은 우주선들이 화성을 탐사했다는데 것으로도 알 수 있다. 현재 화성에는 생명체는 없다는 것이 알려지기는 했지만, 또 다른 생명체에 대한 관심은 여러 우주선의 화성 탐사를 통해 화성에 대한 더 많은 자료를 확보함으로써 화성 연구에 많은 진척을 가지고 왔고, 지금도 우주선들이 화성을 탐사하고 있다. 화성의 내부는 달보다는 더 분화되어 있으며, 액체로 된 핵은 없고 지진도 발생하지 않는다.
 
화성의 표면

화성 표면은 망원경으로 보면 전체적으로는 붉은색이며 양 극에는 흰색이 극관이 있고 곳곳에 어두운 부분이 보인다. 바이킹이 보내온 사진에 보면 바위, 암석, 거대한 화산 분화구, 운석공, 협곡등으로 이루어진 표면이 보인다. 최근 연구 결과로 보면 화성의 산의 높이는 5~10km, 사막은 평탄하며, 바다는 가파른 비탈에 나타나는 경향이 있다고 보고 되었다. 화성의 바다는 검은 현무암으로 사막의 모레는 갈철광인 Fe2O3로 구성되어 있을것 같다고 추측하고 있다. 화성의 열적 변화를 측정해보면 메마르고 먼지 투성이의 표면이며, 사막에서는 대규모의 먼지 폭풍이 발생하여 바다로 퍼져 나가는 것을 볼 수 있다. 이 먼지의 주성분은 SiO2임이 밝혀졌다. 최근 화성의 조각인 것으로 알려져 있는 운석에 의해서 화성의 암석에는 중수소가 많다는 추측이 나왔다. 또한 화성의 대기는 매우 희박하기 때문에 온도 변화가 심하고, 기후 변화도 심하다.

 

(※ 화성탐사선 스피릿과 오퍼튜니티의 최신 사진을 보고 싶다면 나사 화성 갤러리를 방문하십시오. > 나사 태양계- 화성 갤러리)
 

화성의 대기
화성에는 자기장은 없으나 대기가 존재하며, 이 대기는 지구 대기 성분과는 많이 다르다. 화성의 대기 중에는 황색을 띤 먼지, 흰색과 푸른색의 구름과 안개가 양 극지방과 명암 경계선 근처에서 잘 나타난다. 화성의 낮에 자주 발생하는 구름은 큰 화산 근처에서 형성되며, 추측하기를 CO2나 H2O의 빙정 또는 수증기로 되어 있을 가능성이 많다. 화성 대기의 화학 조성과 구조는 마리너 9호가 직접 행성 대기를 탐사함으로써 밝혀지게 되었다. 화성의 대기에도 온도가 200K 가량의 두 개의 이온층이 100km와 150km지점에 존재한다. 

화성의 궤도

화성의 궤도는 약간 찌그러진 타원이다. 태양과 화성 사이의 거리는 1.52AU정도이다. 화성의 공전 주기는 687일정도이며, 자전주기는 24시간 37분이다. 화성은 지구처럼 자전축이 25도정도 기울어져 있기때문에 계절 변화가 뚜렷하다.

화성의 위성 포보스와 데이모스
화성에는 화성 주위를 돌고 있는 두 개의 위성이 있는데, 포보스와 데이모스라고 불리는 위성이다. 그들은 1877년 호올에 의해서 발견되었다. 이 두 위성은 화성의 적도면 근처를 거의 원 궤도를 그리면서 돌고있다. 포보스는 화성으로부터 9380km의 거리에서 7시간 30분의 공전 주기를 가지고 있으며 지구와 비슷한 무게를 지구의 약 1.8배정도 이다. 데이모스는 화성으로부터 23500km 떨어져서 30시간 30분의 공전 주기를 가지고 있으며, 무게는 지구의 3배이다. 화성 표면에서 볼 때 포보스는 빠른 공전 속도 때문에 서쪽에서 떠서 동쪽으로 지는 것을 볼 수 있을 것이다. 

 

 

목성 (Jupiter)

태양계의 왕자 목성

태양계의 5번째 궤도를 돌고 있는 목성은 태양계에서 으뜸가는 행성이다. 목성은 태양계 아홉 개 행성을 모두 합쳐 놓은 질량의 3분의 2 이상을 차지하고 지름이 14만 2,800km로서 지구의 약 11배에 이른다. 목성은 태양에서 7억 7,830만 km떨어져 있기 때문에 목성형 행성들이 그러하듯이 태양으로부터 받는 빛의 양이 아주 적어 지구의 약 27분의 1에 불과하다. 그러나 목성은 부피가 워낙 커 밤하늘의 별 가운데 밝은 모습으로 비치는데 가장 밝을 때는 - 2.5등급을 기록하기도 해 육안으로도 선명하게 관측이 가능하다. 또한 목성은 엷은 고리들을 가지고 있으며 위성 또한 많아서 갈릴레이로 하여금 '지구는 돈다"라는 생각을 하게 해준 그 유명한 네 개의 갈릴레이 위성 말고도 12개가 더 있다. 목성은 태양계의 모든 행성 중에 가장 장대한 구름의 소용돌이를 보여주기도 하며 표면에는 희거나 적갈색을 띤 띠가 있고 남반구에는 거대한 대적점(大赤點)이 있다. 목성은 그야말로 행성 중의 왕이며 올림푸스 최고의 신, 신의 제왕 제우스(주피터)의 이름을 받기에 부족함이 없는 행성이다.
 

작은 태양계

목성은 전부 63개의 위성을 거느리고 있어 그야말로 작은 태양계를 이루고 있다. 다양한 크기의 위성들이 목성의 하늘에 뜨기도 하고 지기도 한다. 현재 목성에는 세 종류의 달이 있는데 즉 자연적으로 탄생한 위성, 소행성집단에서 끌려온 위성, 그리고 인간이 만들어 보낸 인공위성이 있다. 우주선이 목성에 가기 전까지 지구상에서 인간의 눈으로 찾아낸 목성의 위성은 모두 13개였다. 목성의 위성을 제일 처음 찾아낸 사람은 갈릴레이로 그는 1610년 1월 7일 자신이 만든 3.8mm 구경의 굴절망원경을 통해 목성근처에서 바늘구멍 만한 세 개의 작은 천체를 발견했다. 두 개는 같은 쪽에 한 개는 반대쪽에 있었는데 모두 일직선 위에 놓여 있었다. 갈릴레이는 또 1610년 1월 31일 목성 주위에서 네 번째 작은 천체를 발견했으며 갈릴레이는 네 개의 천체들이 목성의 위성이라는 결론을 내렸는데 이 네 개의 위성들이 뒷날 '갈릴레이의 위성(이오,유로파, 가니메데,칼리스토)'으로 불리어지게 되었다. 이 위성들은 곧 이어 독일의 천문학자이며 안드로메다를 발견한 시몬 마리우스(Simon Marius)에 의해 각각의 이름들이 붙여지게 된다.
 

성질과 성분

성질과 성분 수소분자로 이루어진 목성의 지름은 14만 3,200km로 목성이 조금만 더 큰 천체였더라면 목성의 내부에서 핵반응이 일어나 제 2의 태양이 되었을지도 모른다. 목성의 질량은 지구의 318배이고 부피는 지구의 1,400배나 되지만 태양의 밀도와 비슷한 목성의 밀도는 지구보다 낮아 지구의 4분의 1밖에 되지 않는다. 그 이유는 목성의 암석 또는 금속보다 밀도가 낮은 수소와 헬륨으로 구성되어 있기 때문이다. 목성은 적도의 자전주기는 9시간 50분이고 극지방에서의 자전주기는 9시간 55분으로 각 위도에 따라 자전주기 속도가 다른 차등자전을 하고 있다. 때문에 목성의 자전속도 매우 빠르지만 위도에 따라 다른 속도로 자전을 하고 있기 때문에 적도의 지름이 극의 지름보다 약 7,500km가량 크다. 또한 목성의 자기권은 태양의 자기권보다 강해서 지구보다는 10배나 강하며 목성 상공 2,000만 km안팎에는 강한 자장이 형성돼 있다. 1672년 카시니는 목성에서 둥글고 큰 반점을 찾아냈는데 이 반점은 붉은 색을 띠어 대적점(Great Red Spot)이라고 불린다. 이 대적점은 타원의 모습으로 시간에 따라 색깔이 변하는데 때로는 흰색으로 변하기도 하는데 크기를 살펴보면 클 때는 가로 3만 5,000km, 세로 1만 4,000km로 지구가 세네 개는 들어갈 수 있는 크기지만 작을 때는 지구크기 만하다. 이 대적점에 대해서는 아직도 수수께끼가 남아있는데 천문학자들은 이 대적점을 큰 소용돌이 모양의 태풍이라고 주장하고 있다. 즉 목성의 대기는 한쪽 방향으로만 흐르는 것이 아니라 진로가 반대 방향인 것도 있어서 이 대기의 흐름이 교차하는 곳에서 대기의 소용돌이가 일어나 대적점을 만든다는 주장이다. 대적점은 카시니가 발견한 이래로 300년이 넘게 관측이 되어 왔으며 현재도 그 모습을 유지하고 있다. 목성의 대기를 살펴보면 주로 수소, 헬륨으로 이루어져 있으며 약간의 암모니아와 메탄이 있고 중력은 지구와 비교해 세배 가량 나간다. 쉽게 말해 85 kg의 지구인이 목성에 가면 244 kg으로 몸무게가 약 3배가 된다. 
 

목성의 고리

고리가 토성에만 있는 것으로 알려져 있었으나 보이저 2호가 목성에서 고리를 발견한 것은 천문학계의 큰 경사였다. 토성보다 목성이 더 가까이 있는데도 지금까지 목성의 고리를 발견하지 못한 데에는 여러 가지 이유가 있는데 그것은 바로 목성의 고리가 토성의 고리보다 얇고 밀도도 낮고 희미하게 고리가 두 개로 나뉘어 있기 때문이다. 하나는 목성 바로 주위를 거미줄처럼 감싸고 있으며 다른 하나는 목성 지표에서 약 25만 km거리에 있기 때문에 잘 보이지 않았다. 그러나 두 개의 고리 두께 차이는 종이 한 장 두께 보다 작은데다가 주변의 별빛이 투과할 정도로 얇고 거의 투명한데 구성물질은 적외선 관측을 통해 분석한 결과 작은 암석으로 밝혀졌다.

 

 

토성 (Saturn)

고리가 아름다운 토성

토성은 아름다운 고리와 유일하게 대기를 가진 위성을 거느린 행성으로 토성은 목성과 모든 면에서 아주 비슷하지만 아름다운 고리로 사람들을 놀라게 한다. 토성에 대한 연구는 1610년 갈릴레이에 의해 본격적으로 시작되었으며 그는 처음에 토성의 고리를 보고 이것을 '토성의 귀 또는 손잡이'라고 부르기도 했다. 그러나 훗날 그가 죽은 뒤 50년 후인 1659년 네덜란드의 천문학자인 호이겐스(Huygens)에 의해 그것이 고리라는 것이 밝혀지고 최근의 보이저가 관측할 때까지는 너무 희미해서 상세하게 알 수는 없었다. 토성의 신비는 태양계 탐사 우주선 보이저 1,2호에 의해 낱낱이 밝혀졌는데 지금까지 밝혀진 토성의 위성은 22개이며 그 가운데 타이탄은 발견 역사가 가장 오래됐고 다른 태양계 위성 중에서는 볼 수 없는 짙은 대기로 감싸여 있다. 토성은 초 9.7km속도로 태양계를 일주하는 데 지구 시간으로 꼬박 29.6년이나 걸린다.
 

성질과 성분

토성의 질량은 지구의 약 95.1배이며 지름은 9배로 12만 km가량으로서 크기와 질량에서 목성 다음으로 태양계에서 큰 행성이다. 또한 부피로는 750배나 되는 토성은 밀도는 태양계 내의 모든 천체뿐만 아니라 물보다도 작아 띄울만한 바다만 있다면 띄울 수 있을 정도다. 토성의 대기는 목성과 마찬가지로 수소와 헬륨이 주류를 이루고 약간의 메탄과 암모니아가 첨가되어 있으며 토성의 표면온도는 섭씨 영하 180℃를 기록하고 있다. 토성의 온도가 낮은 이유는 태양과 너무 멀리 떨어져 있기 때문으로 지구가 태양으로부터 받는 열량의 100분의 1밖에 받지 못한다. 이 추위 때문에 토성에서는 암모니아는 물론 메탄 등이 결빙해 고체 형태로 존재해서 토성 상공 1,000km아래는 수증기와 암모니아 구름이 공존하고 있으며 대기의 유동 속도가 커서 적도에서는 시속 1,800km의 강풍이 사납기 휘몰아치고 있다. 토성의 공존주기는 29.6년이 걸리지만 자전속도는 엄청나게 빨라 낮과 밤의 총 길이는 10시간 40분으로 토성의 하루는 지구의 한나절밖에 되지 않는다. 토성은 태양계 행성 가운데 매우 멀리 있는데도 밝은 빛으로 빛나며 수성보다도 밝은 빛을 낸다.
 

토성의 양쪽귀(고리)

1609년 갈릴레이는 망원경으로 토성을 관찰하다가 토성의 양쪽에 귀 모양의 괴상한 물체가 붙어 있다가 밤이 깊어지면 차츰 사라지는 것을 발견했다. 갈릴레이는 이 때부터 약 3년 동안 토성의 두 개의 귀가 보이지 않을 때까지 관측을 계속했다. 그로부터 50년 뒤 네덜란드의 천문학자 호이겐스가 토성의 '양쪽의 귀'의 실체를 정확히 밝혀냈다. 그것은, 귀가 아니라 고리라는 것인데 호이겐스는 이 엄청난 정보를 혼자만 알고 있을 수 없어 3년 뒤에 발표하고야 말았다. "토성의 양쪽 귀는 엷은 고리이다. 이 고리는 토성에 붙어 있지 않고 떨어져 있다." 호이겐스가 이러한 내용을 설명한 자리에 있었던 사람들은 모두 놀라고 말았다. 1675년 이탈리아의 천문학자 카시니는 더 좋은 망원경을 이용해 토성의 고리를 자세히 관찰하여 토성의 고리가 하나가 아니라 여러 개로 이루어져 있다는 것을 알아냈다. 또한 그는 고리의 안과 밖을 구분 짓는 검은 선을 찾아냈으며 이 검은 선이 저 유명한 '카시니의 간극'이다. 

 토성의 고리는 적도면에 자리잡고 있으며 토성 표면에서 7만 14만 km까지 뻗쳐 있다. 그래서 토성의 고리 두께는 약 7만 km에 이른다. 한 개의 작은 고리 두께는 9 50m에 불과하다. 토성의 고리 표면은 수근 알갱이 만한 것에서부터 기차 크기 만한 얼음들이 널려 있어 얼음 조각 작품의 전시장을 방불케 한다. 많은 천문학자들은 토성이 생성된 뒤 남은 물질이 토성 주변을 떠돌아다니는 것이 고리라고 추측하고 있다. 한편 일부 천문학자들은 토성의 고리 탄생설에 대하여 토성의 강한 중력을 못 이겨 산산조각이 난 달의 찌꺼기들이 토성 둘레를 도는 것이라고 주장한다. 

 

토성의 위성

토성은 47개의 위성을 가지고 있다.  이 위성들 대부분은 얼음 덩어리로 이루어져 있으며 일부는 암석도 군데군데 섞여 있다.  토성의 위성은 1659년에 처음으로 발견되었으며 이 해는 호이겐스에 의해 토성의 고리가 발견된 해이기도 하다. 이 위성은 200년 뒤 로마 신화의 새턴(토성의 신 이름)과 친인척 관계인 타이탄이라고 불렀다. 

 

타이탄은 크기 5150km, 질량 1.35*1023으로,태양계 위성 중 목성의 가니메데 다음으로 큰 위성이다. 타이탄은 표면 중력이 작음에도 불구하고 온도가 낮아 대기를 가지고 있고, 1944년 천문학자 카이퍼는 대기에 메탄이 포함되어 있다는 것을 발견했다.

 

(※ 토성 및 타이탄, 그 밖의 위성 최신 사진을 보고 싶다면, 본 별바라기 블로그 메뉴의 Cassini-Huygens를 클릭하십시오.) 

 

 

천왕성 (Uranus)

2천년동안 지구인들은 토성밖에 천왕성, 해왕성, 명왕성, 세 개의 다른 행성이 있으리라고는 생각치 못했다. 태양으로부터 일곱 번째 행성인 천왕성은 1781년 4월 음악가 허셜(William Herschel)에 의해 처음으로 발견되었다. 독일 태생의 허셜은 밤마다 쌍성을 찾기 위해 하늘을 관찰하던 중 망원경 속에서 이상한 물체가 발견했다. 1781년 3월 12일 그는 쌍둥이자리 근처에서 발견된 이상한 물체를 추적하기 시작했으나 처음엔 이 물체를 태양에서 멀리 떨어져 있어 꼬리가 아직 발달되지 않은 혜성쯤으로 짐작했다. 이 와중에 마스켈린이라는 천문학자가 이것은 혜성이 아니라 태양의 주위를 공전하는 행성이라고 주장하기도 했다. 그로부터 1년 뒤 허셜은 그 동안 추적한 그 물체의 궤도를 전문가에 의뢰해 이 물체의 정확한 궤도가 밝혀내고 그 물체가 원 궤도를 가진 새로운 행성이라는 사실이 밝혀지게 된다.

 

탐사
1977년 지구를 탈출한 보이저 2호는 시속 67만 4천 km속도(이는 소총 총알의 약 10배 속도에 달한다)로 날아가 10년 뒤, 즉 1986년 1월 24일에 천왕성에 바짝 다가갈 수 있었다. 보이저 2호는 천왕성에 접근해 1500mm,200mm렌즈가 달린 TV Camera를 이용하여 약 200장의 사진들은 찍었다. 이 사진의 해상도는 길이 20km까지 식별할 수 있는 정도로 지상에서 관측한 것보다 300배 이상 뛰어났다. 사진으로 관측된 천왕성에는 그 주변을 둘러싼 11개의 가느다란 고리와 15개의 달들이 선명하게 박혀 있었다. 이는 우리 인간이 천왕성의 발견 시점으로부터 약 250년간 알아낸 정보보다 더 많은 정보였다. 사진으로 인해 그 동안 발견된 5개의 위성 외에 10개의 위성이 더 있다는 사실과 총 15개의 위성은 천왕성의 공전 궤도면에 벌렁 드러누워 줄지어 서 있다는 것도 알 수 있게 되었으며 9개의 고리이외에도 2개가 더 있다는 걸 알 수 있게 되었다. 또한, 대기 온도가 태양을 향하는 양지가 섭씨450도이고, 응달이 섭씨730도로 응달의 온도가 더 높다는 이상현상과 천왕성의 자전축과 자기축 55도나 차이나는 새로운 사실들을 발견할 수 있었다.

 

지름과 질량
파란 원반처럼 빛나는 천왕성은 태양과 약 29억 km떨어져 있으며 토성보다 두 배 가량 먼 거리에 있다. 천왕성은 지름 5만 2천 6백km의 구형으로서 토성의 지름의 2분의 1보다 조금 작고 목성 지름의 3분의 1에 해당한다. 그러나 지구 지름보다는 약 4.01배나 크다. 망원경으로 보아도 아주 작고 흐려 크기를 결정할 수 없었던 천왕성의 지름을 측정할 수 있었던 것은 1977년 어떤 행성이 다른 별의 표면을 통과하는 엄폐(掩蔽)현상이 이 천왕성에게 나타났기 때문이다. 이 때 천왕성이 움직이는 속도와 별을 가리는 시간을 측정하여 계산한 결과 지금 우리가 알고 있는 천왕성의 지름을 계산할 수 있었던 것이다. 천왕성의 질량은 목성, 토성보다 작긴 하지만 지구의 약 15배에 이르는 8.7*1025kg이다. 또한 천왕성의 중력은 지구와 거의 비슷한데 이는 지구에서 몸무게 85kg 짜리 성인 남자가 천왕성에 가서 저울질을 해보면 79kg으로 약간 줄어들 정도이다.

구성성분
보이저가 보내온 천왕성의 사진을 보면 옅은 녹색으로 아름답게 빛나는 걸 볼 수가 있다. 천왕성이 녹색으로 보이는 이유는 태양빛이 대기에 침투되면 대기층 상부에 존재하는 메탄에 의해 붉은 색이 흡수되고 녹색의 대부분이 우주로 반사되기 때문이다. 천왕성의 대기는 메탄, 헬륨 등을 동반한 수소분자가 주종을 이루고 있으며 특히 메탄의 양은 목성이나 토성의 대기가 함유하는 메탄의 양보다 더 10배 가량 많다. 천왕성의 내부구조에 대해서는 그리 알려진 바가 없으나 몹시 뜨겁고 물, 수소, 암모니아의 액체 그리고 태양표면보다 훨씬 뜨거운 용암층을 가지고 있을 것이라고 천문학자들은 짐작한다.
1978년 4월 10일 영국인 천문학자 테일러에 의해 천왕성에서 아홉 개의 고리를 발견됐다. 천왕성에도 고리가 있다는 사실이 확인되었는데 1978년 4월 10일 영국인 천문학자 테일러와 그 뒤 구성된 관측팀에 의해 9개까지는 지상망원경으로 확인되었고 보이저 2호에 의해서 새로운 2개가 발견됨으로 지금까지 11개의 고리가 확인되었다. 천문학자들에 의해 발견된 것은 그들이 천왕성이 어떤 별을 통과하는 현상을 관찰하던 중 천왕성이 별을 가리기 전에 깜빡이며 몇 번씩 순간적으로 어두워지는 현상을 발견했기 때문이다. 천왕성의 고리가 쉽게 발견되지 못한 것은 아주 어둡기 때문인데(토성 고리 밝기의 300만 분의 1정도이다) 목성이나 토성의 고리가 흰색으로 빛의 80%를 반사시키는데 반해 천왕성의 고리는 5%밖에 반사시키지 못하는 검은 얼음 입자이기 때문이다. 천왕성의 고리의 총면적은 천왕성의 1%에 해당되며 매우 엷고 얇다. 대부분의 과학자들은 고리를 구성하는 물질들이 토성주위를 돌던 작은 위성이 지구 크기 만한 천체와 충돌해 부서져서 생긴 것으로 믿고 있으며 태양계에서도 비교적 늦게 태어난 불안전한 것이라고 주장하고 있다.

다섯위성들
천왕성 다섯 개의 위성 중 티타니아와 오베론은 1780년 허셜(Herschel)에 의해 제일 먼저 발견되었으며, 아리엘과 엄브리엘은 1851년 러셀(Russel)에 의해, 가장 작고 희미한 미란다는 1948년 카이퍼(Kuiper)에 의해 발견되었다. 미란다는 크기, 질량, 밀도, 궤도 이심률 등 많은 것이 밝혀지지 않은 미지의 천체로, 지름이 240km이며 궤도 경사가 98도, 공전주기 1.4일 짜리의 우주팽이와 같은 존재이다. 아리엘은 궤도 이심률 0.007이다. 공전주기는 2.5일이며 지름은 600km로 예측되고 있다. 엄브리엘은 궤도 이심률 0.008이다. 공전주기는 약 4일이며 지름은 400km인 난쟁이이다. 티타니아는 궤도 이심률 0.002이다. 공전주기는 8.7일이며 지름은 1000km로 난쟁이들 속의 거인이다. 다섯째 오베론은 궤도 이심률 0.001, 공전주기 13.46일, 지름이 1600km로 다섯 위성 중 가장 크고 점잖은 편에 속한다. 모든 달들은 천왕성의 적도면을 따라 공전한다. 그러므로 천왕성뿐 아니라 달들도 천왕성과 같이 혼연일체가 되어 기상천외한 공전모양을 하고 있다. 즉 달들도 동서 방향이 아닌 남북방향으로 운동하는 것이다. 천왕성의 달들은 모두 천왕성에 매우 가깝다. 다섯 개의 달 가운데 가장 먼 것이 오베론이다. 이 오베론은 천왕성의 중심으로부터 58만 2400km떨어져 있으며 미란다는 단지 12만 9280km 떨어져 있다.

 

 

해왕성 (Neptune)

해왕성의 발견

허셜이 1781년 토성 궤도 밖에서 천왕성을 발견한 뒤 많은 천문학자들은 태양계 어디엔가 또 다른 행성이 존재할지도 모른다는 의문을 갖기 시작했다. 해왕성 발견의 이야기는 1843년 당시 23세였던 영국의 캠브리지 대학에서 수학을 전공하고 있던 아담스(Adans)는 졸업에 즈음해서 미지의 행성이 존재할 것이라고 주장을 제기했다. 아담스는 이 미지의 행성에 관한 질량과 궤도를 계산한 결과 2년 후인 1845년 10월, 드디어 양(羊)자리 근처에 행성이 있을 거라는 확신을 얻었다. 그러나 그가 아직 알려지지 않은 어린 학생이라는 이유로 그의 의견은 영국의 왕립 천문학자들에 의해 묵살되었다. 한편 몇 달 후인 1845년 12월 프랑스에서는 과학자인 르베리어(Leverrier)가 똑같은 생각으로 계산한 결과 아담스와 같은 결론을 얻고 과학잡지에 발표했다. 이 소식을 접한 영국의 왕립 천문학자들은 그때서야 그 문제를 심각하게 받아들여 관측에 들어갔으나 양(羊)자리에 대한 성도(星圖)가 없어서 준비하는 동안 르베리어는 이미 독일의 베를린 천문대의 갈레(Galle)에게 탐사를 요청했다. 마침 성도를 가지고 있던 갈레는 관측을 시작한 첫 날인 1846년 9월 23일 밤 구름 한 점 없는 하늘에서 8등급의 별을 발견하였으며 이것은 행성이었다. 이 행성은 아담스와 르베리에가 계산한 바로 그 자리 근처에 위치하고 있었다. 당시 경쟁국가였던 영국과 프랑스 사이에는 이 해왕성의 발견의 공로에 대해 치열한 논쟁이 오갔지만 결국 해왕성 발견의 최대 업적은 아담스와 르베리어에게 함께 돌아갔다.

성질과 성분 그리고, 궤도

해왕성은 태양으로부터 30.06AU인 약 45억 900만km떨어진 거리에 있으며 해왕성의 1년은 164.79년이고 보이저 2호의 관측으로 정확히 알려진 자전주기는 16시간 6분 36초로서 목성형 행성의 공통적인 특징인 빠른 주기를 가지고 있다. 그렇기 때문에 지구인에게 해왕성은 아무리 오래 산다 해도 2~3개월 살다 죽을 수밖에 없는 하루살이 삶의 행성이 될 수밖에 없다. 해왕성의 질량은 천왕성보다는 조금 크고 목성이나 토성보다는 훨씬 작은 수치로 지구 질량의 17.2배인 kg이다. 해왕성과 천왕성은 크기가 거의 비슷해 두 행성은 쌍둥이로 오인 받기도 한다. 해왕성의 적도 반지름은 24.764km가량으로 지구의 약 4배이다. 또한 무게는 지구의 약 17배로 해왕성은 태양계에서 네 번째 가는 거인 행성이다. 보이저 2호가 해왕성을 탐사했을 때 파랗고 세찬 구름의 소용돌이 외에는 아무 것도 발견할 수가 없었다고 하는데 이렇게 해왕성이 파랗게 보이는 이유는 대기 중의 메탄 가스 때문이며 이 구름의 소용돌이 가운데 상층대기는 희미한 구름의 띠를 형성하고 있다. 일반적으로 해왕성의 태양에서 여덟 번째 자리에 서 있는 행성으로 알려져 있다. 그러나 반드시 그렇지만은 않다. 왜냐하면 명왕성의 궤도가 심하게 찌그러진 타원모양을 하고 있기 때문에 해왕성의 안쪽 궤도로 들어와 여덟 번째 자리를 차지해 해왕성이 아홉 번째로 밀릴 때도 있기 때문이다.

고리

해왕성 둘레에서는 네 개의 고리가 있는데 이 중 두 개는 선명한 편으로 이 고리를 이루는 주 물질은 결빙된 메탄 조각들이다. 또한 고리들 중 어떤 것들은 꽈배기 모양의 구조를 보여주기도 한다. 그러나 해왕성의 고리는 희미해서 그다지 알려진 바는 없다.
 

위성

해왕성의 위성 중 가장 큰 것은 1846년 10월 10일 해왕성이 발견된 지 3주를 채 넘기기 않고 러셀(Russel)에 의해 발견된 트리톤이다. 그 후 100년이 넘도록 해왕성은 외아들 트리톤만 거느리고 있는 것으로 알려졌으나, 1949년 천왕성의 가장 큰 위성 미란다를 발견했던 카이퍼가 해왕성 근처에서 아주 작고 희미한 천체- 해왕성의 두 번째 위성 네레이드-를 찾아냈다. 
그리스 신화에 나오는 해왕성 포세이돈의 아들 이름을 딴 트리톤은 보이저 2호에 의해 꽤 상세한 자료가 존재한다. 트리톤의 지름은 2,710km로 지구의 위성(달)보다 크며, 질량은 2.14*1022로 지구의 3.5배나 되는 태양계의 전체 위성 중 7번째로 큰 위성이기도 하다. 또한 트리톤은 해왕성을 6일에 한번 꼴로 일주한다. 보이저 2호가 보여준 트리톤은 생각했던 것보다 더 작고 더 밝으며 핑크색과 푸른색으로 물들어 있었다. 그리고 질소입자들로 이뤄진 트리톤의 얼음 화산은 수 km의 높이까지 솟아올랐다가 가라앉으며 주성분인 질소 이외에 메탄과 암모니아가 가득 찬 호수도 있다는 사실을 발표해 호기심을 자극했다. 그 외에 알려진 트리톤의 유별난 점은 다른 위성들과는 달리 역행을 한다는 점이고 또 목성의 이오와 토성의 타이탄과 함께 대기를 가진 위성이라는 점, 그리고 6일의 공전주기가 점점 늦어지고 있다는 점이다.
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