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오늘은 태양계를 소개하겠습니다

옛날 사람들이 생각한 태양계

옛날 사람들이 생각했던 태양계는 어떠했을까? 밤하늘을 바라보면 수많은 별들 사이에서 행성들을 찾기는 쉽지 않다. 하지만 자주 보다보면 몇몇 눈에 띄는 천체들을 볼 수 있다. 이 천체들은 매일 밤 다른 별들에 비해 조금씩 이동을 하고 있고, 밝은 편이다. 그리고 이동하는 길은 태양이 지나가는 길과 비슷하다. 이들이 바로 행성이고, 이러한 현상은 행성들의 공전궤도면이 지구 공전궤도면과 거의 일치하기 때문에 일어난다. 그래서 행성들은 일찍이 사람들에게 알려졌다.

그리하여 고대 그리스 시대에 지구를 중심으로 천체가 돌고 있다는 천동설이 확립되었다. 하지만 천동설은 행성의 역행과 같은 특이한 현상을 설명할 수 없었고, 17세기가 되어서야 코페르니쿠스(Copernicus)의 태양 중심설이 나왔다. 그리고 비슷한 시기에 케플러(Kepler)와 갈릴레이(Galilei)가 태양계의 중심은 지구가 아니며 지구는 태양의 주위를 돈다는 지동설을 주장하기 시작했다. 이 지동설이 나오면서 지금까지 설명할 수 없었던 많은 천체 현상들을 설명할 수 있게 되었다.

태양계의 기원에 대해 지금까지 많은 설이 주장되었다. 이것을 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 첫째는 태양의 탄생과 진화 과정에서 형성된 것이란 주장으로 성운설과 전자설, 난류설 등이 이에 해당한다. 둘째는 태양과 다른 천체가 우연히 만나거나, 혹은 충돌과 같은 우연적인 사건으로 생겼다는 설로 소행성설, 조석설, 쌍성설 등이 있다.


원시 행성계 원반 상상도
 성운설
1755년 독일의 철학자 칸트(Kant)가 주장한 설을 1796년 라플라스(Laplace)가 수정한 것으로, 이 이론에 따르면 태양계는 천천히 자전하는 고온의 가스덩어리에서 시작한다. 이 가스덩어리는 식으면서 수축하고, 수축함으로써 자전이 빨라지며 적도부에서 물질을 원반모양으로 방출하였다. 그리고 남은 물질은 계속 수축하고 또 원반모양으로 물질을 방출하였다. 이러한 과정을 몇 번 반복한 후 마지막에 남은 덩어리가 태양이 되고 방출한 물질들은 각자 하나로 합쳐져 행성이 되었다는 설이다.

하지만 이 설은 각운동량의 문제가 있었다. 태양의 느린 자전으로는 다른 행성의 공전속도를 설명할 수 없다는 것이다.

 전자설
1942~46년 알벤(Alfven)은 태양의 자기장을 근거로 한 기원설을 발표하였다. 과거 태양 주위는 비어있었으나, 어느 때 고체 미립자로 된 소규모 우주구름과 만났고, 태양의 자기장과 중력에 의해 그 일부를 붙잡아 달과 화성을 만들었다. 그 후 가스로 만들어진 우주구름과 만나 그 일부를 전과 마찬가지로 붙잡아 목성, 토성, 천왕성, 해왕성과 몇 개의 위성을 만들었다. 후에 고체입자로 된 대규모 우주구름과 만났을 때 거기서 수성, 금성, 지구와 남은 위성을 만들었다는 설이다.

 난류설
1944년 바이츠제커(Weizsacker)가 발표한 것으로, 초창기 태양은 수소와 헬륨 등을 주성분으로 한 가스 원반에 둘러싸여 있었다. 이 원반은 천천히 자전하나 내부에 난류가 있기 때문에 자전이 모두 같지 않았다. 때문에 군데군데 소용돌이가 생긴다. 소용돌이와 소용돌이 사이에 물질이 모여 작은 덩어리를 만들고, 이것들이 합쳐져 행성이 되었다는 설이다.

 소행성설
1900년 챔벌린(Chamberlin)이 주장하고 후에 몰튼(Moulton)이 수정한 것으로, 과거 태양 주위는 비어있었으나, 어느 시기에 한 항성과 지나치면서 그 인력의 영향을 받아 물질을 분출했다. 이 물질은 분출된 후에 바로 굳어져 미립자(소행성)가 되어 태양 주위를 돌게 되고 결국 합쳐져 행성이 됐다는 설이다.

 조석설
1916년 진즈(Jeans)가 주장하고 후에 제프리(Jeffrey)가 수정한 것으로 이 설의 전반부는 소행성설과 같고 분출된 물질은 띠 형상으로 유출, 항성의 인력은 최대 접근 시에 가장 강해지기 때문에 분출물질도 양 끝이 가늘고 중앙이 두꺼워진다. 행성은 이 띠 형상의 분출물이 떨어져 생겼다는 설이다. 조석설은 태양계의 여러 가지 점을 설명할 수 있는 점에서 한 때 유력시되었으나 역시 각운동량의 문제가 있었다. 또한 최근의 연구로 태양에서 떨어져 나온 고온의 물질로는 행성 정도의 물질덩어리가 직접적으로 만들어질 수 없다는 것이 증명되었다.

 쌍성설
1934년 러셀(Russell)이 주장하고 리틀턴이 완성한 것으로, 태양은 초창기에 쌍성이었다. 어느 날 다른 항성이 다른 별 근처를 지나가다 두 별 사이에 조석설과 같은 현상이 일어났다. 두 별 모두 상호의 인력으로 튕겨져 태양에서 멀어지고 남은 띠 형상 물질이 태양 주위에 남아 행성이 생겼다는 설이다. 이 설도 조석설과 같은 결점이 있다. 이 설을 마지막으로 태양계 기원설은 고온의 물질이 아닌 저온의 물질로 형성되었다고 생각하게 되었다.

 슈미트의 설
1944년 슈미트(Schmidt)가 발표한 설로 과거 태양 주위는 비어있었으나, 어느 때 우주먼지구름과 만나 그 일부를 잡아다 자기 주변에 태양성운을 만들었다. 이 성운에서 먼지입자가 서로 충돌하여 성장하고 이윽고 행성이 되었다는 설이다.

 휘플의 설
1947년 휘플도 우주구름에 의거한 기원설을 제창하였다. 우주 어느 곳에나 고체입자와 가스로 된 우주구름이 있다는 휘플의 설에 의하면 이들 우주구름은 자체중력과 주위 항성으로부터 받는 광압에 의해 수축을 시작하고, 수축함에 따라 밀도는 커지고 고체입자는 충돌하여 합체하고 성장한다. 이러한 작은 덩어리들 중 중심부에 생긴 것은 더욱 크게 성장하여 태양이 되고, 다른 것은 행성이 되었다는 설이다.

 호일의 설
1955년 호일(Hoyle)은 성운설과 비슷한 기원설을 발표하였다. 천천히 자전하는 우주구름이 수축하면 자전이 빨라지기 때문에 적도부에서는 원심력이 커지고, 어느 단계에 달하면 그 때문에 적도부에서 물질이 고리 모양으로 이탈한다. 이탈한 그 물질의 총량은 우주구름 질량의 약 1/100, 이탈한 시기는 우주구름이 원래 크기보다 약 10만분의 1로 축소하여, 현재의 수성 궤도의 크기 정도가 되었을 때 일어난다.

우주구름이 자전하면 할수록 고리 모양 물질도 떨어져나가 우주구름에서 점점 멀어지고 온도는 점점 떨어져 뭉쳐지기 쉬운 물질부터 뭉쳐져서 남겨진다. 행성은 이러한 물질로부터 생긴 한편, 남은 우주구름 중심부는 고리형태 물질을 잃음으로써 자전에너지를 잃고, 그대로 수축하여 태양이 되었다는 설이다



태양계의 탄생과 진화

태양계형성

태양계는 약 46억 년 전에 시작되었다고 추정된다. 그리고 태양계 형성에 관한 여러 가지 이론 중 그 대표적인 것이 성운설이다. 성운설은 우리 은하의 나선 팔에서 먼지와 가스로 이루어진 구름이 중력붕괴를 일으키고, 이 구름들은 수축을 계속한다. 수축이 진행되면서 회전 속도가 빨라져 구름들은 원반 형태를 갖추게 되는 것이다. 수축이 어느 상태에 도달하면 중심부의 온도와 밀도가 높아져서 핵융합 반응을 일으키게 된다. 그 수축된 질량의 대부분이 모여 태양을 형성하고, 남은 것은 편평한 원시 태양계 원반을 형성하여 여기서 행성, 위성, 소행성과 그 밖의 태양계 소천체 등이 생겼다.

태양계는 초기의 모습에서 점점 진화해왔다. 가스나 우주먼지가 행성의 중력에 붙잡혀 위성이 탄생했으며, 천체끼리의 충돌도 계속되어 태양계 진화의 원동력이 되고 있다.

앞으로 태양은 적색거성의 단계를 거쳐 바깥층은 떨어져나가 행성상 성운이 되고, 중심부는 수축하여 백색왜성이 되리라 예상된다. 백색왜성이 된 태양은 행성들을 잡아 둘 수 있는 힘을 잃게 되어 태양계에는 태양 홀로 외로이 남아있게 될 것이다.

태양계의 구성

태양계는 나선 은하인 우리 은하의 나선의 팔 부분에 위치하고 있고, 태양을 중심으로 돌고 있는 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성의 8개의 행성과 세레스, 명왕성, 에리스 등의 왜소행성(dwarf planet) 및 각 행성들 주위를 돌고 있는 위성, 소행성, 그리고 혜성 등으로 이루어져 있다. 태양계 질량 중 약 99.85%를 태양이 차지하고 있으며, 행성들은 단지 약 0.135%밖에 되지 않는다. 그 외 질량은 위성, 소행성, 혜성 등이 채우고 있다

행성의 분류

위치에 따른 분류
 내행성
태양계에서 지구보다 안쪽 궤도를 도는 행성
→ 수성, 금성

내행성
 외행성
태양계에서 지구보다 바깥쪽 궤도를 도는 행성
→ 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성

외행성
특성에 따른 분류
 지구형 행성
수성, 금성, 지구, 화성처럼 목성형 행성에 비해 상대적으로 크기가 작고 지구와 특성이 비슷한 행성.

지구형 행성
 목성형 행성
목성, 토성, 천왕성, 해왕성처럼 목성과 성질이 비슷하며 기체로 되어있고 밀도가 지구형 행성보다 낮은 행성. 또한 모두 토성처럼 고리를 가지고 있다.

목성형 행성
크기에 의한 분류
크고 무거운 행성을 목성형 행성으로 분류한다. 태양계에서는 목성, 토성, 천왕성, 해왕성이 분류된다. 모두 지구보다 질량 10배 이상, 직경 4배 이상의 크기이면서 밀도는 낮은 행성이다.

성분에 의한 분류
비휘발성 핵 주위를 액체 혹은 기체 수소나 헬륨이 둘러싼 구조의 행성을 목성형 행성으로 분류한다. 태양계에서는 목성과 토성이 분류된다. 천왕성과 해왕성도 과거에는 유사한 구성으로 여겨졌으나 행성탐사가 이루어지면서 가스와 중심부와의 비율이 자세히 알려진 결과 목성 및 토성과는 구성이 크게 다르다는 것이 판명되었다. 때문에 목성과 토성(거대가스행성)만을 목성형 행성이라고 하고, 천왕성과 해왕성은 천왕성형 행성(거대얼음행성)으로 분류하는 경우가 있다.

목성형 행성 내부구조

지구형 행성은 주로 암석이나 금속 등 비휘발성물질로 구성된 행성을 말한다. 태양계에서는 수성, 금성, 지구, 화성이 여기에 해당한다. 목성형 행성에 비해 질량이 작고 밀도가 크다. 목성형 행성은 주성분이 가스로 되어 있어 밀도는 낮고 크기는 거대하다. 지구형 행성처럼 딱딱한 지표가 없으며 중심부로 감으로써 행성을 구성하는 수소가스가 압력에 의해 액상화되고, 더 깊이 들어갈수록 수소는 액체금속상태가 되어있으리라 생각된다. 금속수소 층보다 더 아래엔 지구의 10배정도의 질량을 가진 암석과 금속, 얼음물질 등으로 된 중심핵이 존재하는 것으로 추정된다.



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