태양계의 행성운동

행성운동의 바탕은 태양의 인력에 의한 타원운동이고 케플러의 세 법칙으로 설명되므로 ‘케플러 운동’으로 불린다. 행성의 궤도는 궤도긴반지름[軌道長半徑] ·이심률(離心率)·근일점황경(近日點黃經, 또는 近日點引數)·궤도경사·승교점황경(昇交點黃經) 및 특정시각에서의 위치 등에 의하여 결정된다. 이러한 궤도요소(軌道要素)는 오랫동안에 걸친 행성의 위치관측으로부터 얻어진다. 거꾸로 궤도요소가 알려지면 임의의 시각에서 행성의 위치를 천체역학의 원리에 의하여 계산할 수 있다. 실제로는 행성이 다른 행성의 인력도 받기 때문에 엄밀하게는 케플러 운동에서 어긋난다. 이 어긋남을 섭동(攝動)이라고 부르는데, 섭동 때문에 궤도요소는 시시각각 변동한다.

행성운동의 특징으로 다음과 같은 사실을 들 수 있다. ① 궤도경사는 모두 작아서 각 행성은 마치 동일한 평면 안에서 운동하는 것처럼 보인다. ② 공전방향은 모두 동일하여 지구의 북극 쪽에서 보아 시계바늘과 반대방향으로 돌고 있다. ③ 이심률은 작고 궤도는 모두 원에 가깝다. 이상의 사실은 일부 예외를 제외하고 위성계(衛星系)에 대해서도 말할 수 있다. 또 행성의 자전에 대해서 보아도 금성·천왕성을 제외하면 자전방향이 공전방향과 같고 황도에 대한 적도의 경사도 작다.

이러한 운동의 특징 이외에 공전의 각운동량(角運動量)의 분포에도 특이한 점이 있다. 뉴턴 역학에 의하면, 만유인력과 같은 중심력(中心力)인 경우에는 그 밖에 다른 힘이 작용하지 않는 한 각운동량(벡터량)이 질량이나 총역학적 에너지와 마찬가지로 보존된다. 태양계의 경우, 태양의 인력 이외에 행성들 상호간의 섭동 때문에 각 행성의 공전 각운동량은 약간 변동하지만 근사적으로는 거의 보존되는 것으로 생각할 수 있다.

태양계의 총각운동량은 이들과 태양·행성의 자전, 위성·혜성·행성간 물질의 공전 및 자전 각운동량의 벡터합인데, 태양의 자전과 행성의 공전에 의한 것이 압도적으로 크고, 그 이외는 극히 작다. 또 행성의 공전 각운동량은 태양계 전체의 98%를 차지하고, 태양의 자전에 의한 것은 2%에 지나지 않으며, 그 대부분은 목성 ·토성에 의한 것으로 화성보다 안쪽에 있는 행성의 공전 각운동량은 극히 작다.

태양계 전체의 각운동량은 불변이기 때문에, 태양의 중심을 지나서 총각운동량을 나타내는 벡터에 수직인 평면도 일정불변하다. 이것을 ‘라플라스의 불변면(不變面)’이라고 하는데, 공간좌표계의 하나의 기준면으로 취할 수 있다. 목성의 공전 각운동량이 태양계의 총각운동량과 비등하므로 불변면은 목성의 궤도면에 가깝다. 그러나 불변면을 관측으로 결정하는 일은 곤란하므로, 기준면으로 채용하기에는 이론적으로 합리적이기는 하나 실용적이 못된다는 결점이 있다.