태양계

개요

태양계는 항성인 태양과 8개의 행성과 약 160개의 위성, 수많은 소행성, 혜성, 유성과 운석, 옅은 구름을 이루고 있는 행성간 물질 등으로 구성된다. 태양은 태양계 질량의 99％ 이상을 차지하고 있다. 행성은 지구형 행성인 수성, 금성, 지구, 화성과 목성형 행성인 목성, 토성, 천왕성, 해왕성으로 구분한다. 과거에는 태양계에 총 9개의 행성이 있었으나 2006년 태양계 맨 바깥쪽에 있던 명왕성이 왜소 행성(dwarf planet)으로 분류되면서 행성 수가 8개가 되었다.

위성은 행성 주위를 공전하는 천체다. 태양계 행성 중에서 수성과 금성은 위성이 없다. 소행성은 약 3,000개가 있으며, 혜성은 매우 크지만 가벼운 천체로 길게 늘어진 궤도를 따라 공전한다. 오랜 시간에 걸쳐 큰 망원경으로 관측하면 더욱 많은 소행성과 위성을 발견할 수 있을 것이다.

새로운 혜성은 평균 1년에 6개 정도가 발견되고 있다. 그러나 16등급보다 어두운 미지의 행성이 먼 곳에 존재할지도 모른다. 유성은 밤하늘에 반짝이며 날아가는 빛과 그 빛을 내는 물체 모두를 말한다. 천체가 대기를 통과하여 지면에 도달한 것을 운석이라 한다. 행성간 물질은 엷은 구름을 이루고 있다.

태양계 일러스트

태양

태양은 지구에서 그 표면을 관측할 수 있을 정도로 가까이 있는 단 하나의 항성이다.

표준이 되는 별보다 태양이 약간 밝고, 조금 크고 무거우며, 밀도는 약간 낮은 편이다. 지름은 지구의 109배이고 무게는 지구의 33만 3,000배이다. 태양의 표면온도는 약 5,800K이며 중심온도는 약 1,500만K이라고 생각된다. 태양 중심 부근에 있는 물질의 밀도는 물의 약 100배이지만 전체가 기체로 되어 있다. 태양은 1초에 9×10²⁵㎈의 에너지를 복사한다(태양 에너지). 이 에너지는 수소가 헬륨으로 변하는 열핵반응과정에서 생긴다.

태양은 이 과정을 통해 1초에 약 400만t의 질량을 잃고 있지만 현재의 비율로 연소해도 앞으로 수십억 년 동안 계속 빛을 복사할 것으로 생각된다.

지구에서 보이는 태양의 밝은 표면을 광구(光球)라고 부르며 광구 위에는 채층(彩層)이라는 영역이 있다. 개기일식이 일어날 때 달에 의해 광구의 빛이 완전히 가려지면 태양 주위에 붉은 고리 모양의 채층이 보인다. 때때로 태양 주위에서 진한 붉은색 구름처럼 보이는 홍염도 볼 수 있다.

개기일식이 일어날 때 가장 찬란한 광경은 태양 주위에서 빛나는 진주색과 흰색의 불꽃인 코로나이다. 태양휘선 스펙트럼을 분석한 결과 코로나의 온도는 약 100만K이다. 특별한 장치를 이용하면 개기일식이 아닐 때에도 홍염과 채층 및 코로나를 관측할 수 있다. 작은 망원경으로도 태양표면에서 쉽게 눈에 띄는 것은 흑점군이다. 그 크기는 지름이 수백㎞의 작은 것에서부터 지구의 적도단면적의 30배 되는 것도 있다.

흑점의 온도는 약 4,500K이지만 주위에 있는 광구의 온도보다 낮기 때문에 어둡게 보인다. 흑점군의 수는 평균 11년을 주기로 증가하거나 감소한다.

행성

행성들을 태양에 가까운 순서로 나열하면 수성·금성·지구·화성·목성·토성·천왕성·해왕성이다.

이전에는 명왕성도 행성으로 분류되었으나 2006년 왜소 행성(dwarf planet)으로 분류되면서 행성에서 제외되었다. 이들은 다시 지구형 행성인 수성·금성·지구·화성과 목성형 행성인 목성·토성·천왕성·해왕성으로 나눌 수 있다. 지구형 행성은 대체로 지구와 비슷한 크기와 질량을 가지며 밀도가 높다. 목성형 행성은 질량이 지구질량의 15~318배이지만 밀도는 지구형행성의 약 20％이다.

지구형 행성의 밀도가 높은 이유는 수소와 헬륨 이외의 원소를 많이 포함하기 때문이다. 목성형 행성은 대부분 수소나 헬륨 등 가벼운 원소로 되어 있다고 생각되며, 행성 내부의 깊은 곳은 금속상태의 고체로 되어 있는 것 같다.

소행성

1801년에 최초의 소행성이 발견된 뒤 약 3,000개의 소행성궤도가 계산되었다.

이들의 지름은 1~800㎞ 이하이다. 소행성들의 질량을 모두 합해도 지구질량의 1/3,000 정도이다. 대부분의 소행성은 화성궤도와 목성궤도 사이에서 공전하고 있다. 그러나 약간의 예외적인 것이 있어서, 이카루스와 같이 수성에서 화성 부근까지 이어지는 궤도를 갖고 있는 것과 히달고와 같이 화성에서 토성까지 이어져 있는 것 등도 있다. 예외적인 소행성 가운데에는 헤르메스와 이카루스처럼 지구에 100만㎞ 정도까지 근접하는 것도 있다.

위성

위성은 행성 주위를 공전하고 있는 천체이다.

이들을 행성과 구별하는 기준은 물리적 특성보다는 운동의 형태이다. 수성·금성은 위성이 없으며 지구는 1개, 화성은 2개, 목성은 79개, 토성은 82개, 천왕성은 27개, 해왕성은 14개의 위성을 거느리고 있다. 화성의 위성과 목성·토성의 작은 위성 가운데에는 지름이 수㎞밖에 안 되는 것도 있지만, 지구의 달, 목성의 이오·유로파·가니메데·칼리스토, 토성의 타이탄, 해왕성의 트리톤 등은 반지름이 1,600~2,600㎞에 이른다.

혜성

혜성은 매우 크지만 가벼운 천체로서, 빛나는 긴 꼬리를 가지고 하늘을 불규칙적으로 횡단하는 별처럼 보인다.

그러나 망원경을 사용하지 않고 육안으로 보일 정도로 밝은 혜성은 극히 드물고 행성처럼 중력의 법칙에 따르는 규칙적인 운동을 한다. 혜성은 매우 길게 늘어진 궤도를 따라 공전한다. 혜성의 궤도 중에는 황도면에 대한 경사도가 상당히 큰 것도 많다. 100년 이하의 짧은 주기를 갖는 혜성은 중간 정도의 궤도경사각을 갖는다. 핼리 혜성은 역방향으로 움직이는 유일한 주기혜성이다. 원에 가까운 궤도를 그리는 혜성은 매우 드물다.

유성과 운석

유성, 즉 별똥별은 밤하늘에 때때로 반짝이며 날아가는 빛과 그 빛을 내는 물체 모두를 일컫는다.

유성의 크기는 모래입자나 콩보다 더 크지는 않을 것이다. 그 빛은 유성의 원자와 공기 중의 분자가 충돌해서 생긴다. 이것은 지상 100㎞ 정도의 대기 중에서 사라진다. 질량이 수십g에서 수t인 천체가 대기를 통과하여 지면에 도달한 것을 운석이라고 한다. 지구가 태양 주위의 궤도를 따라 움직이고 있는 유성군을 만나면 유성우가 생기는데 이때는 시간당 수십 개 이상의 유성이 나타난다.

그러나 실제로 비처럼 쏟아지는 유성우는 매우 드물다. 유성군의 궤도요소는 특정한 혜성과 매우 비슷하기 때문에 이 두 천체가 서로 연관되어 있음이 틀림없다. 유성우를 만드는 유성물질은 혜성의 파편에서 생기는 것이다.

행성간 물질에 의한 현상

맑은 날 해가 진 뒤 서쪽 지평선이나 일출 전의 동쪽 지평선을 보면 황도를 따라 위로 퍼진 기둥모양의 빛이 보이는 경우가 있는데 이것이 황도광이다.

이 빛은 태양을 중심으로 지구의 궤도면이나 황도면에 퍼져 있는 먼지의 집단에 의해 태양광이 산란된 것이다. 먼지의 전체 질량은 매우 작기 때문에 내행성의 운동에 영향을 미치지 않는다. 행성간물질 때문에 생기는 다른 현상으로 대일조(對日照)가 있는데, 태양방향에서 보면 때때로 지구의 뒤쪽 밤하늘에 나타난다.

이 희미한 빛은 지구의 뒤쪽에 남아 있는 행성간 먼지가 빛을 반사한 것이다.

태양계는 유일한 것일까

예를 들어 가장 가까운 곳에 있는 항성의 주위를 돌고 있는 목성만한 크기의 행성이 있다고 가정할 때 지구상에 존재하는 가장 큰 망원경으로 찾아봐도 그 행성을 검출할 수는 없다.

따라서 다른 항성의 행성계에 대한 직접적인 정보는 얻을 수 없다. 하지만 항성 중 절반 이상이 쌍성, 또는 훨씬 많은 별들로 이루어져 있으며 이러한 쌍성들의 궤도는 일반적인 별들의 궤도와 다르다. 이러한 별들 중 한 별의 궤도가 비틀거리는 것을 분석한 결과 태양의 0.016배, 즉 목성의 17배밖에 되지 않는 반성을 갖고 있다는 사실을 알아냈다.

이같이 보이지 않는 작은 질량의 반성을 갖는 별들이 태양 주위에 있는 항성들 중에서도 몇 개 발견되고 있다. 현재로서는 우주에 태양계 외의 행태가 다수 존재할 것이라는 생각이 일반적이다.

규칙성

태양계의 8개 행성은 태양 주위를 서쪽에서 동쪽으로, 원에서 약간 벗어난 타원을 그리며 공전하고 있다. 이 궤도들은 기준이 되는 지구의 궤도면과 거의 일치한다. 8개의 행성들이 태양을 중심으로 공전하며 대부분 같은 방향으로 자전하고 있는 것처럼 위성들도 대부분 서쪽에서 동쪽으로 자전과 공전을 한다.

예외적으로 목성과 토성의 바깥쪽 위성 1개와 해왕성의 위성 트리톤은 역방향으로 돌고 있다. 목성과 토성의 바깥쪽 위성은 원래 소행성이었던 것이 포획되었을 가능성이 있지만, 트리톤은 이런 과정으로도 설명할 수 없다. 이러한 사실은 자전주기가 매우 긴 것과 어떤 관계가 있을지도 모른다. 금성의 경우 자전방향이 공전방향과 반대이며, 이것은 자전주기가 상당히 긴 것과 관계가 있는 것 같다.

이미 알려진 소행성들은 모두 태양 주위를 행성들과 거의 같은 평면 위를 같은 방향으로 움직이고 있다. 대부분의 소행성은 원에 가까운 궤도를 따라서 운동하지만 혜성처럼 길게 늘어진 궤도나 원에 가까운 궤도를 그리는 예외적인 소행성들도 있다.

태양계 생성론

행성과 소행성의 규칙적인 배치와 운동이 우연히 이루어졌다고는 생각되지 않는다.

또 하나의 중요한 사실은 태양계가 완전히 고립되어 있다는 것이다. 태양계 생성론에는 규칙적인 진화과정에 의해 생성되었다는 것과 급격한 변화에 의해 생성되었다는 2가지의 주요한 이론이 있다.

첫번째 이론은 1796년에 프랑스의 수학자 라플라스가 생각한 성운설이다. 그는 태양계의 가장자리에 이르는 차갑고 거대한 원반형의 기체덩어리가 천천히 회전하는 것을 시작으로 하는 가설을 설정했다.

이 성운의 각 부분은 서로 끌어당기며 수축되어, 각운동량보존법칙에 따라 자전속도는 당연히 증가했다. 이러한 과정을 거쳐 자전속도가 증가하면 마침내 성운주변부의 원심력이 인력보다 커져 물질의 고리가 본체에서 떨어져나가게 된다. 수축이 계속되면 점차로 중심에서 가까운 부분이 분리된다. 이 고리 하나하나의 폭은 일정하지 않다. 이 고리의 밀도가 가장 높은 부분이 물질을 점점 끌어당기고 굳어져 행성이 되었다. 위성은 수축 때문에 행성이 생성되는 도중 기체가 응결하여 형성되었다.

혜성과 유성은 행성 사이에 남아 있는 물질로부터 만들어졌다. 라플라스의 성운설은 과학사적으로 가장 좋은 이론 중의 하나였으나 1900년경의 비판에 의해 이 이론을 버리지 않을 수 없다. 그 비판은 주로 각운동량에 대한 것으로 태양계 질량의 1％ 이하의 질량에 불과한 행성이 각운동량의 99％를 갖고 있다는 것은 자연의 물리과정에서는 생각할 수 없다는 것이었다.

또한 성운에서 떨어져나가는 물질은 고리형태보다는 입자형태로 떨어져 나간다고 생각하는 것이 훨씬 설득력이 있다.

행성이 다량의 각운동량을 갖게 되는 한 가지 방법은 각운동량을 외부에서 얻는 경우이다. 이렇게 급격한 변화에 대한 이론에서는 태양이 가까이 다가온 별과 충돌하든가, 최소한 충돌에 가까운 영향을 받았다고 가정한다. 별이 접근해오면 태양은 큰 조석력을 받아 태양 필라멘트의 끝이 별을 따라 우주공간으로 향하면서 태양 주위에 곡선을 그리게 된다.

약간의 물질은 태양 주위를 되돌아 필라멘트의 회전방향과 같은 방향으로 태양을 자전시키기 시작한다. 이 이론에 의하면 필라멘트는 결국 부서져 제각기 흩어지고 그것이 굳어져 행성이 된다. 이 경우도 역시 소행성·혜성·운석은 행성 사이에 남아 있는 파편에서 생긴다. 이 이론은 매우 그럴듯하게 보이지만 계산해보면 분출된 필라멘트는 태양 주위를 돌지 않고 통과하는 별을 따라서 바깥공간으로 나갔을 가능성이 크다. 또한 충돌설에 대한 가장 큰 반론은 별들 사이의 거리가 매우 커서 2개의 별이 충돌할 가능성은 거의 없다는 것이다.

이러한 모순을 피하기 위해 태양은 원래 2중성이었으며, 필라멘트는 태양의 반성이 폭발해서 신성으로 될 때 생겼다는 가정을 했다.

태양계의 생성에 대한 현대의 이론은 일반적으로 급격한 변화과정을 부정하고 과거의 성운설처럼 차가운 먼지와 기체로 된 원시 성운덩어리를 그 출발점으로 가정하고 있다. 그와 같이 큰 성운덩어리에는 적지 않은 난류가 존재하며, 난류의 생성과 소멸이 빈번하게 일어났으리라고 생각된다.

결국 이 가스 덩어리가 분해하여 기체의 구름이나 원시 행성으로 되었을 것이다. 이때까지는 물질이 차가웠지만 결국에는 수축이 일어나 중심의 온도가 올라가게 되어 스스로 빛을 복사하게 된다. 이런한 복사에 의해 행성이 가지고 있던 상당량의 질량은 우주공간으로 방출되었을 것이다. 이와 같은 가설을 세우면 각운동량에 대한 문제는 피할 수 있다. 태양계 생성에 대한 결정적인 이론은 아직 없으며, 어느 이론이나 개선해야 할 부분이 있다. 현재 받아들여지는 태양계 기원론에 의하면, 약 45억 년 전에 티끌과 기체로 된 거대한 구름덩어리가 중력적으로 수축하면서 태양과 행성들이 동시에 생성되었다.

중앙에 위치한 태양은 안쪽으로 떨어지는 기체의 대부분을 끌어들였고, 고온으로 압축된 핵은 핵융합반응이 진행될 수 있을 정도로 무거운 질량을 갖게 되었다. 주위를 돌던 작은 덩어리들은 자체적으로 빛과 열을 생성할 만큼 큰 질량을 갖지 못했기 때문에 어둡고 차가운 행성이 되었다. 행성들은 크게 지구형 행성과 목성형 행성의 2종류로 나눌 수 있다. 안쪽에 있는 수성·금성·지구·화성이 지구형 행성에 속하며, 바깥쪽에 있는 목성형 행성은 대부분이 기체로 이루어진 목성·토성·천왕성·해왕성 등이다.

지구형 행성은 태양으로부터 0.3~1.7AU의 거리에 있으며, 크기가 작고 암석성분이 많으며 대기는 희박하다. 지구형 행성은 초기의 태양성운에 존재할 당시 가지고 있던 두꺼운 대기층을 태양으로부터 방출되는 열 때문에 모두 날려보낸 후, 행성 내부에서 빠져나온 기체가 현재의 얇은 대기층을 형성하고 행성의 대부분은 암석상태가 되 었다.