행성의 공전 궤도가 타원인 이유가 있을까요?

Question

갑자기 궁금해졌는데 행성의 공전궤도는 모두 타원형이라고 하더라구요. 굳이 타원형으로 공전궤도가 형성되어있는 이유가 있을까요?

Answer 1

안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.

초기 우주에 가스와 먼지, 입자들이 운동을 하고 있었을 것이며, 중력에의해 집단을 형성해가며 태양과 같은 별이나 행성이 만들어졌습니다. 이 과정에서 질량을 가진 두 물체에 대해 운동을 하고 있을 경우 원, 타원 궤도 운동이 가능합니다. 물론 쌍곡선 포물선과 같은 운동도 가능합니다. 이렇게 공전 궤도 운동 중 원, 타원, 쌍곡선, 포물선 운동이 가능한 이유는 각운동량과 중력퍼텐셜 에너지 때문입니다. 각운동량은 공전 운동을 시작할 초기에 갖는 회전 운동량으로 두 천체가 영향력을 받게 될때의 운동량에 의해 결정됩니다. 이를 역학적으로도 정확하게 풀어낼 수 있는데, 각운동량에 의한 effective한 퍼텐셜 에너지와 중력퍼텐셜 에너지 그리고 운동에너지를 통해 에너지 상태에 따라 원, 타원, 쌍곡선, 포물선 운동이 가능합니다. 물론 원운동의 경우 가장 특별한 경우로 희박한 확률로 가능합니다.

Answer 2

안녕하세요. 이영준 과학전문가입니다.

원 내부에서 중심이 아닌 한 점을 잡고 원둘레에서 그중심으로

선을 무수히 많이 긋게 되면 타원의 궤도가 생기게되는데

이것이 케플러법칙입니다

이러한 이유 등으로 타원형 궤도가 형성되었을 것으로 보고 있습니다

Answer 3

안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.

행성의 공전 궤도가 좀더 길쭉한 형태로 변해서, 전문 용어로 말하면 이심률(離心率, eccentricity)이 큰 타원으로 변할 때 생각할 만한 변화는 일단 두 가지가 있습니다.

(1) 타원의 정의에 관해서는 이미 알고 있다고, 또는 찾아보면 쉽게 나온다고 생각하고 생략합니다. 타원에는 대칭을 이루는 두 축이 있는데 이 중 긴 쪽, 즉 장축 위에는 타원의 초점 2개가 자리잡습니다. 행성이나 소행성, 혜성이 태양 주위를 타원 궤도로 돌 때는 이 초점 2개 중 한 곳에 큰 천체가 자리잡는 모양이 됩니다.

타원 궤도가 더 길쭉한 모양으로 변할 때 초점의 위치는 중심에서 더 멀리 떨어진 지점이 되고, 근일점(태양에서 가장 가까운 지점, 위 그림에서는 맨 오른쪽)과 원일점(태양에서 가장 먼 지점, 위 그림에서는 맨 왼쪽)에서 행성과 태양 사이의 거리도 변하므로 기후도 변합니다.

(2) 행성의 궤도 모양이 변하면 자연히 주변의 작은 천체, 즉 소행성이나 행성이 도는 궤도와 겹치는 범위가 변하므로 이들과 충돌할 확률도 변하게 되어 있습니다. 만약 궤도 반지름은 그대로면서 모양만 변한다면 위 그림으로 치면 아래위 폭만 좁아지는 꼴이 되겠고, 반대로 궤도 반지름이 늘어나면 다른 천체의 궤도와 겹치는 범위도 늘어납니다.