태양계 행성들의 특징과 차이점은 무엇인가요?

Question

태양계 행성 중 가장 작은 행성은 무엇이며, 가장 큰 행성은 무엇인가요?

각 행성의 자전 주기와 공전 주기는 어떻게 다를까요?

그리고 지구와 다른 행성들 간의 주요 차이점은 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 원형석 과학전문가입니다.

태양계의 생성

태양계의 기원에 관해서는 성운설, 격변설등 여러 가지 가설이 존재하여 왔다. 오늘날, 천문학에서는 과거 라플라스나 칸트가 주장했던 성운설을 새롭게 수정, 보완한 이론이 태양계의 기원을 밝혀주는 이론으로서 정립되고 있다

이 이론에 따르면 태양계를 이루고 있는 태양과 행성들은 가스와 티끌로 이루어진 성간운으로부터 형성되었다고 한다. 태양계를 이룬 성간운은 우리 은하의 나선팔에 존재하던 거대 성간운이 초신성 폭발에 의하여 수축되고 분열된 작은 성간운 중의 하나일 것으로 생각되고 있다. 그 증거로, 지구상에서 우라늄과 같은 원소가 발견되는 것을 들 수 있는데, 이러한 원소는 우주에서 초신성 폭발이 있을 때 만들어지기 때문이다. 이렇게 분열된 성간운은 수소가 약 73.6%, 핼륨이 24.8%, 기타의 원소가 1.6%정도로 이루어져 있었다. 이 성간운을 태양계 성운이라고 하는데, 크기는 약 103-105 AU 이고, 질량은 대략 태양질량의 1.5-2배였을 것으로 추정된다.

이 태양계의 성운은 자체 중력에 의하여 수축하면서 천천히 회전하게 된다. 회전하는 성운에서는 자체의 중력외에도 원심력이 작용하게 된다. 따라서 태양계 성운은 회전축 방향으로는 자체 중력에 의한 수축이 순조롭게 진행되지만 회전축에 수직인 방향으로 원심력의 방해를 받아 수축이 잘 일어나지 못한다.

결과적으로 태양계 성운은 물질이 많이 모여 불룩하고, 주변에는 물질이 넓게 퍼진 원반모양을 이룬다. 원반모양의 중심부분은 자체의 중력으로 계속 수축하여 원시 태양을 형성하고, 오늘날과 같은 태양으로 진화해 나간다

태양계 성운이 수축하면서 중력에너지는 빛에너지와 열에너지로 전환되는데, 빛에너지는 복사의 형태로 외부로 방출되지만 열에너지는 성운의 온도를 높이는데 쓰인다. 따라서 성운 원반은 중심부의 온도가 높고, 주변부로 갈수록 온도가 낮은 상태가 된다. 그동안 태양계의 성운 원반에서는 티끌이 생성되고, 이러한 태끌이 원시 행성을 형성하는데, 미행성체의 성분을 보면, 티끌층의 온도가 높으므로 원시태양 근처에는 금속성이나 암석성 원소를 가진 미행성체가 주로 생성되며, 현재의 소행성대 부근에는 얼음들이 많이 섞인 미행성체가, 그리고 바깥으로 갈수록 물과 휘발성 원소가 많은 미행성체가 생성된다. 이들 미행성체는 지구 궤도의 근처에서만 약 100억개 정도가 생성되었다고 보고 있다.

미행성체들은 원시태양 주변을 공전하면서 서로 충돌하여 파괴되거나 합체되는데, 이러한 충돌이 거듭되면서 질량이 큰 원시행성으로 성장하게 된다.

태양계의 특성

공전상의 특징

행성들은 케플러와 뉴턴의 법칙에 따라 태양 둘레를 타원을 그리면서 공전하고 있다. 행성 운동에 관한 자료를 살펴보면, 다음과 같은 세가지의 뚜렷한 특징을 발견할 수 있다.

지구 궤도면의 위에서 보았을 때, 모든 행성들이 태양 주위를 반시계 방향으로 돌고 있다. 이러한 공전 운동을 순행이라고 한다.

모든 행성의 공전 궤도면은 황도면, 즉 지구 궤도면에 매우 가깝다. 황도 경사각이 17도인 명왕성만 제이하면, 모든 행성들이 항상 16도의 폭을 갖는 황도대내에서 관측된다.

태양에 가장 가까운 수성과 가장 먼 명왕성을 제외한 모든 행성의 공전 궤도 이심률은 0.1보다 작다. 이것은 행성의 공전궤도가 거의 원에 가까움을 의미한다. 명왕성은 궤도 이심률이 크기 때문에(궤도가 심한 타원이기 때문에) 근일점 거리와 원일점 거리에 킅 차이가 있다. 이 때문에 명왕성은 해왕성 둘레를 돌다가 이탈한 위성이라고 추측되기도 한다.

자전상의 특징

행성의 적도면이 자신의 공전 궤도면에 대하여 기울어진 정도는 행성마다 서로 다르다. 수성, 달, 목성의 자전축은 공전축과 거의 평행하다. 이들에 비하여 지구, 화성, 토성, 해왕성의 자전축은 약 25도 정도 기울어져 있다. 적도 경사각이 90도 이하인 이들은 서쪽에서 동쪽으로 즉 모든 행성의 공전방향과 같은 반시계방향(지구의 북극 방향에서 보았을때)으로 순행 자전을 한다. 그러나 금성과 명왕성은 동쪽에서 서쪽을 도는 역행자전을 한다. 천왕성의 자전축은 거의 공전궤도면상에 놓여있다. 그러므로 천왕성의 극이 현재 우리쪽을 향하고 있다면 21년후에는 천왕성의 적도면이 우리의 시선방향에 놓이게 된다.

금성과 천왕성은 적도면과 궤도면과의 경사각이 90도를 넘기 때문에 역방향으로 자전한다. 천왕성의 자전축과 공전 궤도면은 거의 일치한다. 따라서. 1의 위치에서는 우리 지구에서 천왕성의 극을 직시할 수 있다면, 21년 후인 2의 위치에서는 금성의 적도면이 우리의 시선방향과 평행하게 된다.

수성은 자전주기가 공전주기의 정확히 2/3이다. 따라서 수성은 태양에 대하여 3:2의 항성공명에 묶여 있다. 수성의 모양은 약간 길쭉한 타원체의 모양을 하고 있다. 태양에 의한 조석력이 길쭉하게 튀어나온 부분에 작용하여 이 행성들의 자전속도를 점점 늦추어 현재와 같은 공명상태를 이루는 것으로 추정하고 있다. 수성이 두 번 공전하는 동안 세 번 자전하므로 근일점 통과시마다 긴축의 끝은 교대로 태양쪽을 향하게 된다.

수성의 자전 주기가 공전주기의 2/3이기 때문에 수성은 2공전 주기 동안에 3번 자전한다. 행성이 위치1에서 7까지 움직이는 동안에 행성에 표시된 지표가 한낮에서 한밤중으로 변했음을 알 수 있다. 행성이 한차례 더 공전하면 7에 왔을 때 지표가 다시 한낮을 가리키게 된다.