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태양계를 알아보자 2탄

행성의 운동

금성의 태양면 통과

금성이 지구와 태양 사이에 지나갈 때 생기는 천문현상이다. 지구에서 보면 금성이 검은 점처럼 동쪽에서 서쪽으로 태양면을 통과하는 듯이 보인다. 천체가 태양의 앞을 통과하여 태양의 일부가 가려진다는 점은 일식과도 비슷하다. 하지만 일식은 태양을 가리는 달의 시직경(지구에서 본 겉보기 지름)이 약 30분으로 태양의 크기와 거의 비슷하게 보여서 태양 전체를 가리는데 비해 금성은 약 1분으로 태양크기의 1/30으로 보인다. 금성은 직경이 달의 약 4배임에도 불구하고 시직경이 이렇게 작은 것은 태양면을 지나갈 때 금성과 지구의 거리는 약 4100km로 달과 지구의 거리보다 100배 이상이나 떨어져있기 때문이다.

한편 금성의 태양면 통과는 매우 드문 현상으로 243년마다 어떤 패턴에 따라 반복적으로 나타나며, 이러한 현상이 한 번 일어난 뒤 8년 뒤에 다시 한 번 같은 현상이 발생한다. 가장 긴 공백은 121.5년과 105.5년이다. 2004년 바로 전의 금성의 태양면 통과현상은 1874 12월과 188212월에 있었다.

최근 금성의 태양면 통과는 2004 6 8일에 일어났고 다음번은 2012 6 6일에 일어난다. 그리고 2012년 이후에는 2117년과 2125 12월에 일어날 것이다.

금성의 태양면 통과의 과학적 의미

지구에서 금성이 태양면을 통과하는 장면을 보기는 매우 드물기는 하지만, 이러한 현상에 대한 과학적인 의미는 태양계의 크기를 결정할 수 있다는 것이다. 그 방법은 지구상에서 매우 멀리 떨어진 두 지점의 행성 통과 현상의 시작과 끝나는 시점의 매우 짧은 차이를 정확하게 찾아내는 것이다.

따라서 이 두 지점 사이의 거리로 태양과 금성까지의 거리를 측정할 수 있는 척도가 될 수 있는 것이다. 17세기에 천문학자들은 지구와 태양 사이의 거리를 기준으로, 태양에서 다른 행성들까지의 상대 거리를 측정할 수는 있었지만, 절대 거리 측정은 그다지 정확하지 않았다.

 

행성 통과

 

금성의 태양면 통과 현상을 제일 처음 관측한 사람은 제레미 호록스(Jeremiah Horrocks) 1639 11 4일 영국의 프레스톤 근처 자신의 집에서 관측한 것이다. 호록의 친구인 윌리엄 크랩트리(William Crabtree) 또한 맨체스터 근처에서 관측했다. 케플러(Kepler) 1631년과 1761년에 있을 금성의 태양면 통과 현상을 예측했었다. 그래서 호록스는 케플러의 계산을 금성의 궤도에 맞게 수정했고 이러한 현상이 8년마다 일어난다는 사실을 알아냈다. 그리고 그의 계산을 바탕으로 1639년에 금성이 다시 태양면을 통과한다는 것을 예측했다. 호록은 운 좋게도 해가 지기 전 30분 동안 구름에 가려진 태양 위를 지나는 금성을 목격할 수 있었다. 그러나 호록스의 관측은 그가 죽은 후 1666년까지 발표되지 않았다.

한편 2004년에 일어났던 금성의 태양면 통과 현상은 과학자들에게 금성이 태양면을 지나갈 때 태양의 빛이 얼마만큼 어두워지는지, 그리고 어두워지는 패턴이 어떤지를 제공함으로써 외계행성을 찾는 기술에 새로운 활기를 불어넣는 계기가 되었다.

행성의 위상 변화

지구상에서 보는 금성은 달처럼 차고 기우는 현상을 볼 수 있다. 이것은 내행성의 공통적인 성질로 수성도 마찬가지이다. 지구-수성-태양 혹은 지구-금성-태양이 일렬로 위치할 때를 ‘내합’(이때 태양과 같은 방향이기 때문에 드물게 태양면 통과 현상이 일어나기도 한다), 지구-태양-수성 혹은 금성이 일렬로 위치할 때를 ‘외합’이라고 한다. 내합이 일어날 때에는 태양빛에 의해 반사되는 내행성의 빛을 지구에서는 볼 수 없기 때문에 보이지 않고 외합이 일어날 때에는 태양이 내행성의 앞을 가리기 때문에 볼 수 없다. 따라서 지상에서의 관측은 불가능하지만 내합이 일어날 때 행성이 가장 크게 보이고 외합이 일어날 때 가장 작게 보인다.

또한 태양과 내행성, 지구의 위치에 따라 각이 생기는 데 이것을 이각이라고 하며 지구-내행성-태양이 직각을 이룰 때 좋은 관측조건을 갖추게 된다. 그리고 이를 방향에 따라 동방 최대 이각, 서방 최대 이각이라고 부른다. 동방 최대 이각일 때의 내행성은 해가 진 뒤 서쪽하늘에서 관측할 수 있으며, 서방 최대 이각일 때의 내행성은 해 뜨기 전 동쪽 하늘에서 관측할 수 있다.

금성의 위상 변화

목성식, 토성식, 엄폐 현상(occultation)

엄폐(occultation)는 천문현상 가운데 하나로 하나의 천체가 다른 천체에 의해 가려져서 보이는 현상을 말한다. 이를 천체면 통과와 식 현상과 비교하면, 엄폐는 더 가까이 있는 천체가 더 크게 보이고, 더 멀리 있는 천체가 완전히 가려지는 현상이다.

반대로, 천체면 통과는 가까이 있는 천체가 더 멀리 있는 천체보다 더 작게 보이는 경우를 말한다. , 수성이나 금성이 태양면을 지나는 현상 같은 것이다. 그리고 식 현상은 일반적으로 한 천체가 다른 천체의 그림자 속으로 들어가 보이지 않는 경우를 말한다.

‘엄폐’라는 단어는 달이 지구 주위를 도는 궤도운동을 하는 가운데 달이 배경별의 앞을 지날 때와 같은 자주 일어나는 경우에 가장 자주 사용된다.

달에는 대기가 없고, 멀리 떨어져 보이는 별은 크기가 없는 점광원으로 보이기 때문에 달에 의해 가려지는 배경별은 달의 가장자리에서 순간적으로 사라졌다가 나타난다. 달의 검은 부분(지구의 그림자 부분)에서 일어나는 현상은 특히 관측자들에게 특별한 관측 대상이 된다. 왜냐하면, 달의 검은 부분은 태양빛이 비치지 않는 부분이기 때문에 이러한 엄폐현상이 더 쉽게 관측되고 또 엄폐 시간 또한 예측하기가 쉽다.

달과 다른 행성에 의해 엄폐 현상을 겪는 아주 밝은 별은 3개가 있다. 이들은 황도에 가까이 있기 때문에 자주 엄폐 현상을 겪게 된다. 이들은 레굴루스와 스피카, 그리고 안타레스이다. 알데바란의 엄폐는 달에 의해서만 가능한데 이는 행성들이 알데바란의 북쪽을 지나기 때문이다. 폴룩스는 달이나 행성에 의한 엄폐 현상을 겪지 않는다. 그러나 먼 미래에는 알데바란과 폴룩스도 엄폐 현상을 겪을 수 있다.

엄폐 현상이 예상되는 두 가장자리, 즉 남쪽과 북쪽 한계에서 관측자는 ‘스치는 엄폐’(grazing occultation)로 알려진, 별이 달의 가장자리에서 갑자기 사라졌다가 이내 다시 나타나는 현상을 관측할 수 있다. 관측적으로나 과학적으로 이 ‘스치는 엄폐 현상’은 달의 엄폐 가운데 가장 역동적이고 흥미로운 현상이다.

달에 의한 엄폐 현상의 정확한 시간은 천문학자, 특히 아마추어 천문활동을 하는 사람들에 의해 주로 계산된다. 10분의 1초까지의 정확도를 가지는 달에 의한 엄폐 현상의 지속시간은 과학적으로 다양하게 사용되며, 특히 우리가 가지고 있는 달의 지형학적인 지식을 재정립하는데 아주 유용하다.

달에 의한 엄폐 현상의 광전자학적인 분석으로 인해 어떤 항성은 매우 가까이 붙어 있는 안시쌍성이거나 분광쌍성인 것으로 밝혀졌다. 초기의 전파천문학자들은 전파원이 달에 의해 가려질 때 전파원의 정확한 위치를 계산하는데 유용하다는 것을 발견하였다. 이는 전파의 긴 파장으로 인해 직접적으로 관측을 통해 그 해상도를 밝히는 것에는 한계가 있기 때문이다.

지구의 관측자는 달에 의해 다른 태양계 행성들이 가려지는 현상을 수차례 관측할 수 있었다. 행성은 배경의 항성들과 달리 눈에 띄는 겉보기 크기를 가지기 때문에 달에 의한 다른 행성의 엄폐는 지구에서 관측할 때 부분엄폐로 보이는 아주 좁은 영역을 만들어내기도 한다.

이 좁은 영역에 위치한 관측자는 행성의 면이 느리게 움직이는 달에 의해 부분적으로 가려지는 현상을 관측하게 된다. 항성들 또한 태양계 내의 행성들에 의해 가려질 수 있다.

· 1959년에는 금성이 레굴루스를 엄폐시켰다.
· 천왕성의 고리는 1977년 배경별을 엄폐시키는 과정에서 발견되기도 했다.
· 1989 7 2일과 3일의 저녁에 토성은 5등성인 28 사지타리우스의 앞을 지나갔다.
· 한 행성이 다른 행성을 가리는 현상 또한 가능하지만, 이는 매우 드물게 일어나는 현상이다.
· 1818 1 3일에 이러한 현상이 일어났고, 2065 11 2일에 다음 현상이 일어날 것으로 예상하고 있다.

이 두 경우에 관련된 행성은 금성과 목성이다. 좀 더 정확하게 말하자면, 전면의 행성이 겉보기 크기에서 배경의 행성보다 작은 경우, 이러한 현상은 ‘상호 행성면 통과’라고 불려야 할 것으로 보인다.

반면 전면 행성의 겉보기 크기가 배경행성의 겉보기 크기보다 크다면, 그러한 현상은 ‘상호 행성 엄폐’라고 불러야 할 것이다.

목성과 토성의 궤도평면은 지구의 궤도평면과 거의 정렬되어 있기 때문에 상호 엄폐 현상을 발생시킬 것이고 이들 거대행성의 위성들 간에는 식 현상을 일으킬 것이다. ‘식’과 ‘엄폐’그리고 ‘천체면 통과’라는 단어들은 이들 현상을 나타내기 위해 사용된다. 예를 들어, 목성의 위성은 목성의 그림자 속으로 들어가 더 어두워지는 식 현상과, 위성이 목성의 뒤쪽으로 숨어버리는 엄폐현상, 그리고 목성의 전면을 통과하는 천체면 통과현상을 나타낼 수도 있다.

행성직렬

태양계의 행성들이 그 공전궤도 운동 중 어느 한 순간 일직선상으로 정렬되는 형태를 말한다.

여기서 말하는 ‘직렬’은 사전적 의미의 ‘곧은’의 뜻이 아니라, 한정된 범위 내에서 행성이 일직선에 가깝게 나열되는 것을 말한다.

행성직렬의 예
내합(태양-내행성-지구)
외합(내행성-태양-지구)
(외행성-태양-지구)
(외행성-지구-태양)

내합과 외합에 의한 행성직렬은 빈도수가 많은 반면, 합이나 충에 의한 행성직렬은 그 대상 행성의 수가 많아질수록 빈도수가 적다.

[네이버 지식백과] 행성의 운동 (천문우주지식정보, 2010. 7. 1., 한국천문연구원)