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태양계
태양계(太陽系, solar system)는 태양과 그것을 중심으로 공전하는 천체의 집합을 말한다. 태양, 8개의 행성, 50개 이상의 위성, 화성과 목성 사이에 흩어져 있는 소행성, 태양 주위를 지나는 혜성, 긴 빛줄기를 만드는 유성 따위로 이루어져 있다.
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개요[편집]
태양계는 항성인 태양과 그 중력에 이끌려 있는 주변 천체가 이루는 체계를 말한다. 태양을 중심으로 공전하는 행성은 소행성대를 기준으로 안쪽에 있는 네 개의 고체 행성인 수성, 금성, 지구, 화성, 즉 지구형 행성과, 바깥쪽에 있는 네 개의 유체 행성인 목성, 토성, 천왕성, 해왕성, 즉 목성형 행성으로 알려져 있다. 즉, 태양계는 우리 은하의 오리온자리 나선팔에 위치한 행성계로, 모항성인 태양을 중심으로 8개의 행성과 왜행성, 그 밖의 위성 및 소행성 등으로 구성되어 있다.
그 바깥에는 얼음덩어리들과 미행성들로 구성된 카이퍼 띠(Kuiper belt), 원반대역(scattered disk)이 있으며, 가장 바깥쪽에는 오르트구름(Oort cloud)이 있다. 유성체, 혜성과 성간 물질 등은 SSSB(small solar system bodies)로 분류된다. 태양계 전체 질량 중 태양은 99.86%에 해당하며, 목성과 토성이 나머지 질량의 90%를 차지하고 있다. 나머지 천체들의 질량은 태양계 내에서 매우 작은 값에 해당한다. 2006년 8월 국제천문연맹은 왜소행성을 정의하고 3개의 천체를 왜소행성으로 분류하였다. 화성과 목성 사이의 유성대(asteroid belt)에 있는 세레스(Ceres), 카이퍼 띠에 위치한 에리스(Eris, 혹은 Xena, 2003UB313의 명칭을 가지고 있음)와 역시 카이퍼 띠 근처에 있으며 이전에는 행성으로 불리던 명왕성이 왜소행성으로 분류되었다.
행성 외에도 태양계의 구성 천체로는 소천체로 이루어진 띠도 있다. 화성과 목성 사이에 있는 원반 모양의 소행성대의 천체 무리는 대부분 지구형 행성과 비슷한 성분을 지니고 있다. 카이퍼 대와 그 소집단 산란 분포대는 해왕성 궤도 너머에 있으며, 이곳의 천체는 대부분 물, 암모니아, 메탄 등이 얼어 있는 형태로 구성되어 있다. 소행성 대와 카이퍼대, 산란 분포대의 천체 세레스, 명왕성, 하우메아, 마케마케, 에리스는 행성만한 힘은 별로 없지만 자체 중력으로 구형을 유지할 만큼 크다고 인정되어 왜행성이라고 불린다. 장주기 혜성의 고향으로 알려져 있는 오르트 구름은 지금까지의 구역의 대략 천 배의 거리에 걸쳐 있다.
태양계 내에서 혜성, 센타우루스족, 우주 먼지 같은 소천체는 이런 구역을 자유롭게 떠다닌다. 또한 태양으로부터 나오는 플라스마 흐름인 태양풍은 태양권 내에서 항성풍 거품을 만들어 낸다. 행성 여섯 개(지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성)와 왜행성 네 개(명왕성, 에리스, 하우메아, 마케마케)는 위성을 가지고 있으며, 목성형 행성은 자체적인 고리를 가지고 있다. 목성, 토성은 가스 행성이고, 천왕성, 해왕성은 거대 얼음 행성이다.[1][2][3]
영역[편집]
태양계는 우리 은하에 속해 있으며 우리 은하는 약 50개의 은하로 구성된 국부 은하군에 속해 있다. 그리고 국부 은하군은 약 100개의 은하 군으로 구성된 처녀자리 초은하단에 속해 있다. 태양계의 마지막 행성인 해왕성의 궤도를 벗어나 약 50AU까지의 영역을 카이퍼 벨트라고 하며, 이 영역에는 여러 소행성과 왜소행성이 있다. 태양계의 내부 반경은 천체가 성간매질(星間媒質) 대에 진입하는 약 180억 킬로미터(121AU)까지 이르고, 이 경계를 태양권계면(太陽圈界面, Heliopause)이라고 칭한다. 학계에서는 태양권계면을 벗어나, 태양의 중력 간섭을 받는 성간 물질이 모인 1광년 내외까지의 영역을 오르트 구름으로 추정하고 있다. 태양계 밖의 우주에서 가장 가까운 항성은 센타우루스자리 프록시마(4.22 광년)이다. 중력의 작용은 태양계에서 여러 행성이 태양에서 벗어나지 않고 일정한 거리를 유지하며 태양 주위를 돌 수 있게 하는 데다 지구에서는 다양한 대기의 구성 성분들이 지구에 붙잡힌 채 날아가지 않게 묶어둘 수 있게 한다.[1]
역사[편집]
기원[편집]
태양계 기원설은 태양계의 기원과 그 형성 과정에 대한 천문학계의 가설을 말한다. 예로부터 태양계의 형성에 대해서는 수많은 가설이 존재했다. 대표적인 가설로는 성운설, 와동설, 조석설, 미행성 응집설(현대 성운설) 등이 있다. 성운설은 성운이 수축되어 태양계가 형성되었다고 설명한다. 그러나 이 가설은 오늘날 태양의 느린 자전을 설명할 수 없다는 문제점이 있다. 한편 와동설과 조석설은 모두 태양에서 떨어져나온 물질이 태양계를 형성한 것으로 설명한다. 그러나 두 가설 모두 태양에서 떨어져 나온 물질은 행성으로 성장하기 전에 증발하므로 행성이 만들어지기 어렵다는 문제점을 안고 있다.
현재까지 밝혀진 태양계의 여러 특징을 비교적 잘 설명해 주는 가설은 미행성 응집설이다. 미행성 응집설이 성운설과 다른 점은 성운설은 성운을 이루는 물질 전체가 원반처럼 회전하지 않고 각각의 중심을 향해 모여들어 태양과 행성을 형성한 것으로 설명하고 있지만, 미행성 응집설은 성운을 이루는 물질이 원반을 형성하면서 회전하여 뭉쳐져 태양과 행성을 형성한 것으로 설명한다. 각각의 기원설에 대해서는 다음과 같이 정리할 수 있다.[4]
형성과 진화[편집]
지금으로부터 약 46억 년 전, 우리 은하 중심으로부터 약 2만 7천 광년 거리에서 성간 먼지, 가스, 얼음결정 등을 포함한 성운이 자체 중력에 의해 붕괴하여 원시 태양이 형성되었다. 이 때 태양을 중심으로 원반모양으로 회전하던 먼지와 가스, 바위, 얼음결정 등이 뭉쳐 작은 미행성을 이루었으며 이들은 서로 부딪쳐 점점 커졌다. 그리고 그 중 가장 큰 덩어리인 목성이 만들어졌다. 목성은 질량이 커짐에 따라 태양의 중력을 받아서 태양과의 거리가 가까워지게 되는데, 이를 맞바람을 거슬러 올라가는 항해법에서 이름을 따서 그랜드 택(Grand Tack)이라고 한다.
그랜드 택으로 목성은 지금의 화성궤도까지 가까워진다. 목성의 중력으로 내행성계의 작은 바위들은 궤도이탈하여 내행성계가 깨끗해졌으며, 몇몇의 큰 암석 행성들만 남게 되었다. 이렇게 남은 암석 행성들 마저도 목성의 중력에 의하여 궤도가 찌그러져 극단적인 타원궤도를 만들게 되는데, 이러한 극단적 타원궤도 때문에 내행성 계에서는 거대한 암석 행성끼리 서로 부딪치고 합쳐져 4개의 암석 행성과 그 위성들만 남게 되었다. 지구와 테이아[7]도 이런 과정 속에서 부딪치게 된다. 지구는 테이아와의 충돌 직후 기울어진 축을 따라 빠른 속도로 회전한다. 이때의 달은 지구와 매우 가까웠으나 이후 점점 멀어지면서 지구의 기울어진 자전축을 안정시켰으며, 지금도 달은 지구와 멀어지면서 지구의 자전축을 조금씩 세우고 있다.
내행성계에서 빠져나간 우주물질들은 토성에 포집되어 일부는 위성이 되어 띠를 이루고 대부분은 합쳐져서 덩치가 커졌으며, 이러한 토성의 중력은 목성이 다시 태양에서 멀어지는데 영향을 줬다. 내행성계가 목성의 중력에서 점차 벗어남에 따라 수성, 금성, 지구, 화성의 궤도는 안정이 되었고, 천왕성과 해왕성 등의 위치도 목성에 밀려 멀어지게 됨으로써, 지금의 암석 행성인 내행성계와 가스 행성인 외행성계의 태양계 구조가 완성되었다.[1]
미래[편집]
많은 과학자들은 태양이 적색거성 단계로 진입하기 전까진 현행상태를 유지할 것으로 보고 있으나 어디까지나 이는 태양계가 앞으로도 그 어떤 것들과도 작용하지 않으며 현재 그대로의 상태를 가정했을 경우를 의미한다. 당장에도 행성들은 자신들이 거느린 위성들의 조석으로 인해 내부에 영향을 받고 있고 외계의 항성이나 은하의 변화에도 영향을 받을 수 있다.
태양계의 안정성 자체는 뉴턴 시기부터 논제거리였으며 현재의 기술로는 해왕성과 명왕성의 궤도 안정성과 그 미래에 대해 최대 2천만 년 후의 궤도를 예측하는 것이 한계이며, 최종적인 궤도의 상태는 알 수가 없다. 지금도 행성들은 다른 행성들에 의해 mm 단위로 움직이고 있으며 이러한 변화에도 사실상 태양계는 안정성을 그리고 있다고 할 수 있으나 수성은 태양이 죽기 전 1%의 확률로 금성과 충돌할 수 있다.
태양 문서에 나오다시피 계속 온도가 올라가서 지구는 10억 년 내에 생명이 자취를 감춘다. 이후 수십억년동안 적색 거성을 거쳐 행성상 성운 및 백색 왜성의 단계를 밟을 것이다. 1번째 적색거성 과정에서 수성이 흡수되도, 금성은 불덩이가 됐다가 태양에 10% 확률로 살아남을 수 있다, 그리고 지구의 운명은 위치가 애매하다보니 흡수된다느니 약해진 중력에 궤도가 밀려나 구사일생한다느니 갑론을박 중. 그 후 2번째 적색거성 단계에서 지구, 화성을 집어삼킬 확률이 높다. 하지만 이것도 궤도가 늘어저 살아남을 수 있다.
이후 일단은 약 45억 년 후 태양계가 속한 우리 은하와 안드로메다 은하가 충돌하더라도 태양계의 행성 궤도는 유지 할 것이라고 한다. 이유는 간단하게 항성과 항성 간의 거리는 너무 멀기 때문이다. 하지만 중력 간섭으로 인해서 태양계 자체가 우리 은하의 영역 밖으로 튕겨져나가거나 한동안 안드로메다 은하의 영역으로 편입될 가능성은 있다. 태양이 백색 왜성이 된 이후 멀리 떨어저 있는 천체들 부터 서서히 벗어나거나 암석형 행성들은 태양에 이끌려 흡수 될수도 있다.
은하 충돌 효과와는 별개로 '다체문제', '섭동 이론' 등 몇 가지 중요한 계산 요소를 넣어서 시뮬레이션한 결과, 백색왜성과 외행성으로 이루어진 태양계에서도 길어봤자 1000억 년이면 행성들은 모두 튕겨나가 백색 왜성만 홀로 남겨진다고 한다. 이러나 저러나 홀로 남겨진 백색 왜성의 태양은 수백조-수천조년의 까마득한 세월동안 식어가 흑색 왜성으로 전락할 것은 분명하다. 결국 어떤 전자기파도 뿜어내지 못해 관측이 불가능한 지경이 되어 영원히 고독 속에 갇힐 것이다.[1]
태양계의 발견과 탐험[편집]
오랜 시간 동안 인류는 (몇몇 주목할 만한 예외가 있지만) 태양계의 존재를 인식하지 못하였다. 그들은 지구가 우주의 중심에 있고 움직이지 않으며, 하늘에서 움직이는 다른 천체와는 절대적으로 다른 존재라고 믿었다. 인도의 수학자이자 천문학자인 아리아바타와 고대 그리스의 철학자 사모스의 아리스타르코스가 태양 중심의 우주론을 추측하기도 했지만, 태양중심설을 최초로 수학적으로 예측한 사람은 니콜라우스 코페르니쿠스다. 17세기에는 그 계승자 요하네스 케플러, 갈릴레오 갈릴레이, 아이작 뉴턴이 물리학에 대한 이해로 지구가 태양 주위를 움직이고, 행성은 지구를 제어하는 힘과 같은 힘으로 제어된다는 생각을 수용하였다. 좀 더 최근에는, 망원경 기술이 발달하고 무인 우주선을 사용할 수 있게 됨으로써, 다른 행성의 산맥이나 크레이터 등과 같은 지질학적 현상과 구름, 모래폭풍, 만년설 같은 기상학적 현상을 조사할 수 있게 되었다.[2]
은하 내에서의 위치[편집]
태양계는 우리 은하 중심에서 약 2만 6천 광년 떨어져 있으며, 나선팔 중 하나인 오리온자리 팔에 은하 중심 방향으로 약간 치우쳐 위치해 있다. 우리 은하의 지름이 약 10만 광년이니, 은하 전체적으로는 중심과 가장자리의 대략 중간 지점 정도인 셈이다. 태양이(태양계가) 은하 중심을 한 번 공전하는 데는 약 2억 2천 5백만 년~2억 5천만 년이 걸리는 것으로 알려져 있으며, 이를 1은하 년(Galactic Year)이라 부른다. 태양(계)의 은하 공전 속도는 초속 230km로, 인간 기준으로는 엄청나게 빠른 속도다(광속의 1300분의 1). 참고로 지구가 태양을 공전하는 속도는 초속 30km이며, 인간이 만든 우주선이 도달한 가장 빠른 속도는 파커 태양 탐사선이 2020년 9월 27일에 달성한 초속 129km다.
태양계의 행성들은 천왕성을 제외하면 자전축이 태양을 공전축으로 하는 공전평면에 대해 대략 수직이지만, 태양은 은하 중심을 공전축으로 하는 공전평면에 누워서 자전하고 있으며(즉 천왕성과 유사하다), 태양을 공전하는 태양계 행성들의 공전평면은 태양의 공전방향에 대해 수직이다. 은하중심부는 외곽과 달리 별들이 우글거리는 전쟁터다. 이런 곳에서는 쉴새없이 소행성이 날아다니고, 지구를 튕겨낼 수 있는 다른 항성이나 태양조차 휘둘릴 수준의 블랙홀이 얼마든지 있다. 설령 운좋게 지구가 살아남더라도 은하의 중심부에서 쏟아져나오는 강력한 방사선은 지구 기준에서는 고균 등 방사능, 유황, 비소(독소) 안에서 살아가는 독종들이나 견딜 수 있다. 반대로 은하 중심에서 너무 멀리 떨어진 경우 지열의 원동력이 되는 방사성 동위원소의 비율이 너무 줄어들어 생명체가 태어나기 어렵게 되며, 설령 지적 생명체가 생겨나더라도 중금속 원소들이 부족하여 발전된 문명을 이루기는 힘들어진다.
이런저런 조건을 따져 과학자들이 은하 중심부의 방사선으로부터도 안전하고, 초신성이나 감마선의 폭발에서도 안전하며 생명체가 태어날 만한 중금속 함량을 가질 영역을 계산하였다. 그 위치는 은하중심으로부터 약 2만 3천~9천 광년에 떨어져있으며 이 중에서도 은하의 밀도파에 휩쓸리지 않는 특정 영역만이 생명체를 가질 수 있는데, 여기에 태양계가 위치하고 있다. 이렇게 은하계의 특정영역에서만 생명체가 살 수 있다는 이론을 은하 생명체 거주가능영역(Galactic habitable zone, GHZ)이라고 하는데, 최근 이 견해는 많은 비판을 받고 있다. 우선 이 이론은 어떤 정의를 내리거나 공식화하기에는 너무 불확실하고 증명된 바 없기 때문에 현재로서는 은하 생명체 거주가능 영역에 대한 어떤 정의를 내리는 것도 옳지 않다는 점이다. 어쩌면 은하계 전체가 생명이 살기에 적합할 환경일 수도 있다.
또 외계 생명체가 지구의 생명체와 같은 요구조건이 있다고 전제하지 않으면 불가능하다는 점. 예를 들어 목성은 탐사선의 기능을 마비시킬 정도로 강력한 방사선이 쏟아져 나온다. 때문에 목성 주변은 생명체 거주 가능 영역에 속하지 않지만 아이러니하게도 현재 생명체의 존재가능성이 가장 높은 유로파는 목성의 위성이다. 이것이 가능한 이유는 유로파 표면의 두꺼운 얼음층이 목성의 방사선을 막아주기 때문이다. 칼 세이건은 아예 목성 같은 가스 행성에서도 생명체가 진화할 수 있을 것이라고 믿었다. 이렇게 생명체가 어떤 조건하에서 생존가능한지 어떤 조건하에서 발생될 수 있을지에 대한 확립된 이론과 증거가 없는 이상 섣불리 은하 중심에서는 생명체가 살 수 없다고 단정지을 수는 없다는 말이다. 2008년 영국 왕립 천문대에서 실행된 실험결과를 바탕으로 작성된 논문에 따르면 현재로서는 은하계의 특정 영역에서만 생명이 살 수 있다고 단정할 수는 없으며 다양한 외계 생명체의 발견 가능성을 인정하고 있다.[1]
태양계에 대한 용어[편집]
비공식적으로 태양계는 종종 여러 부분으로 나뉜다. 내행성에는 네 개의 암석 행성과 소행성대가 포함된다. 소행성대 너머 외행성에는 네 개의 가스 행성이 포함된다. 카이퍼 대의 발견으로 태양계의 규모는 해왕성 너머 천체까지 미치게 되었다.
물리적, 동역학적 관점에서 태양 주위를 도는 천체는 행성, 왜행성, 태양계 소천체(small Solar System bodies)의 세 종류로 분류된다. 행성은 구형의 몸체를 이룰 정도로 충분한 질량을 가지면서, 공전 궤도상에 있던 자신보다 작은 모든 천체를 '빨아먹은' 천체를 일컫는다. 이 정의에 따르면, 태양계에는 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성 8개의 행성이 있다. 명왕성은 궤도 근처에 있는 카이퍼 대 물질을 빨아들여 커지지 못하여 위의 정의를 만족하지 못한다. 왜행성은 구형의 몸체를 이룰 정도로 충분한 질량을 가지면서 태양을 공전하고 있으나, 행성과는 달리 궤도 근처의 자신보다 작은 천체를 청소하지 못한 천체를 일컫는다. 이 정의에 따르면, 태양계에는 1 세레스, 명왕성, 하우메아, 마케마케, 에리스 5개의 왜행성이 있다. 90377 세드나, 90482 오르쿠스, 50000 콰오아 등 다른 천체는 장래에 왜행성으로 분류될 가능성이 있다. 해왕성 횡단 영역 내를 돌고 있는 왜행성을 명왕성형 천체 또는 플루토이드로 부른다. 태양 주위를 돌고 있는 나머지 천체를 태양계 소천체로 부른다.
행성과학자들은 태양계 전역에서 발견되는 다양한 종류의 물질을 가스(기체), 얼음, 암석 등의 용어로 표현한다. '암석'은 원시 행성계 성운 내 거의 모든 상황에서 고체로 남아 있을 수 있는, 녹는점이 높은 혼합물을 말한다. 암석 물질은 보편적으로 규소와 철이나 니켈과 같은 금속을 포함한다. 암석 물질은 내행성 지대에 흔하게 존재하며, 암석 행성과 소행성의 몸체를 구성하는 주요 물질이 된다. '가스'는 분자 수소, 헬륨, 네온 등 녹는점이 극도로 낮으며, 높은 증기압을 갖는 물질을 말한다. 이들은 성운 내에서 언제나 기체 상태를 유지한다. 가스 물질은 목성과 토성 등 '중간 지대'를 돌고 있는 행성의 대부분을 구성한다. '얼음'은 물, 메탄, 암모니아, 황화 수소, 이산화 탄소와 같은 물질로서, 녹는점은 수백 켈빈 정도이며, 환경상 압력과 온도에 따라 그 형태를 달리하는 물질이다. 이들 물질은 태양계 내에 얼음, 액체, 기체 등의 다양한 상태로 존재하고 있다. 성운 내에서는 고체 또는 기체 상태로 존재한다. 얼음 물질은 가스 행성의 위성 몸체 대부분, 천왕성과 해왕성(일명 '얼음 가스행성')의 내부 구성물 대부분, 해왕성 궤도 너머 수많은 작은 천체의 몸체 대부분을 구성하는 것으로 여겨진다. 가스와 얼음을 '휘발성 물질'로도 부른다.[2]
동영상[편집]
각주[편집]
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
