태양계 연구 정리

태양계(solar system)는 태양과 태양의 중력권 내에서 운동하는 수많은 천체들을 이르는 말이다. 태양계에는 수금지화목토천해로 대표되는 8개의 행성이 있으며, 이들 행성들도 각자 위성을 가진 경우가 많다. 또한 행성보단 작지만 크기가 큰 세레스, 명왕성같은 왜소행성이나 아예 작은 천체인 소행성도 있으며, 화성과 목성 사이에 이러한 소행성들이 띠를 두르고 있다. 태양을 중심으로 30-3000AU 떨어진 지역(해왕성 궤도와 겹친다)에는 수많은 얼음과 운석으로 이루어진 카이퍼 벨트가 존재하며, 더 멀리 3만-10만AU(0.5-2광년) 지역에는 오르트 구름이 위치한다. 이외에도 수많은 유성, 운석, 먼지, 혜성 등 다양한 작은 천체들이 태양계를 채우고 있다. 이들은 모두 하나의 회전하는 성운에서 태어났기 때문에, 태양에서 너무 멀리 떨어진 오르트 구름을 제외하면 모두 하나의 회전원반체에 속하여 2차원 평면상을 공전하고 있다.

 

소행성들은 크기가 작아 안정적인 자전방향이 존재하지 않지만, 안정적인 자전이 가능한 천체들은 모두 같은 방향으로 자전하고 있다. 이는 공전도 마찬가지이며, 단지 자전축의 기울기에서만 차이를 보인다. 이는 태양계의 모든 천체들이 같은 회전원반체에서 태어났기 때문으로, 천체를 이루는 구성요소들도 모두 한방향(공전방향)에서 날아오기 때문에 자전방향도 통일되었다. 다만 모두 그런건 아니고 천체와의 충돌로 인해 자전축이 기울어지는 경우가 자주 생겼으며, 그래서 천왕성이나 금성처럼 자전축이 심하게 기울어진 경우도 존재한다. 보통 자전속도가 빠르면 적도반지름이 극반지름보다 더 커지며, 자기장도 그만큼 강해진다.

 

 

태양

태양(sun)은 은하중심에서 2.4-2.6만광년 정도 떨어진 5등급 항성으로, 다른 50%의 은하내 항성과 같이 지구를 포함한 8개의 행성을 거느리고 있다. 태양은 은하중심을 축으로 2.25억-2.5억년 주기로 공전하는데, 이 기간을 1은하년이라고 부른다. 46억년전에 태양계와 함께 탄생하였다.

 

태양은 핵융합을 통해 빛을 낸다. 즉 태양을 구성하는 대량의 수소들이 엄청난 압력 속에서 원자핵과 전자로 붕괴하고, 원자핵이 서로 융합하면서 생기는 질량 손실분이 에너지로 변환되면서 태양이 빛을 내게 된다. 그래서 태양을 구성하는 절대다수의 성분은 원자핵과 전자가 분리된 상태인 플라스마 상태이다. 플라스마 상태는 매우 흔한 상태로 우주 물질의 99%가 플라스마 상태이지만, 지구에서는 상대적으로 귀하다. 번개와 오로라, 그리고 형광등과 플라즈마 티비에서 플라즈마를 관찰할 수 있다.

 

태양은 6개의 층으로 구성되어 있다. 가장 밑에 있는건 중심핵으로, 핵융합된 헬륨과 기타 다른 원소가 존재하는데 온도는 1500만도, 기압은 1500억 기압, 밀도는 물의 160배에 달한다. 그 바깥층은 복사층으로, 복사층에서 발생하는 에너지는 복사층의 밀도와 온도가 너무 높기 때문에 복사의 형태로 바깥에 전달된다. 이렇게 전달된 에너지는 대류층에 도달하는데, 대류층은 상대적으로 밀도가 낮아서 가스의 대류를 통해 에너지가 바깥으로 전달될 수 있다. 이렇게 전달된 에너지는 육안으로 관찰가능한 태양의 표면인 광구를 통해 빠져나온다. 그리고 이 광구를 태양의 대기인 채층이 둘러싸고 있으며, 채층은 온도가 낮아서(전지적 태양시점) 4000도 정도밖에 되지 않는다.

 

태양 표면에 생기는 대표적인 현상으로는 흑점이 있다. 흑점은 갈릴레오에 의해 처음 천문학계에 보고되었으나 사실 중국 기록에도 흑점에 대한 기록이 남아 있다. 흑점은 다른 지역보다 온도가 낮아 4-5000도밖에 되지 않는데, 그래서 다른 지역의 빛에 가려 어둡고 검게 보인다. 이러한 냉각은 태양표면의 복잡한 자기장에 의해 가스의 일부분이 고립된채 식어서 그런 것이다. 보통 지구와 비슷한 크기를 가지며, 11년 주기로 나타났다 사라지는데 이 주기는 태양의 자기장변화와 태양풍과도 관련되어 있다.

 

홍염(프로미넌스) 채층에서 일어나는 대표적인 현상으로, 아래 사진처럼 표면에서 뿜어져나오는 거대한 고리모양의 폭풍을 말한다. 7000도 정도의 수소 플라즈마로 구성되어 있으며, 중력 탈출속도를 넘지 못해 자기장에 갇혀 다시 태양 표면으로 되돌아온다. 하지만 어떤 경우는 플라즈마가 우주로 탈출하기도 하는데, 플레어는 흑점 주위에서 폭발이 일어나 플라즈마들이 대거 우주로 방출되는 현상을 말한다. 플레어는 대량의 감마선, X선, 양성자를 분출하는데, 이것이 지구로 날아오면 태양풍(solar wind)이라 한다. 플레어에서 발생한 에너지는 8분이면 지구에 도달하며, 양성자 등의 전하들은 30분-3일 정도 후에 지구에 도달한다. 일반적인 태양풍은 지구의 강력한 자기장에 막혀 극지방으로 떨어져 오로라나 일으키지만, 강력한 태양풍이 불어오면 지구 표면에 도달하기도 한다. 이러는 경우 우리집 옥상에서도 오로라를 볼 수 있지만, EMP 차폐가 되지 않은 거의 모든 전자기기가 망가진다.(지자기 폭풍, geomagnetic storm) 그래서 어떤 국가에서는 태양풍을 지속적으로 감시하고 있으며, 한국의 우주전파센터에서도 태양풍 경보를 제공하고 있다.

 

홍염. 태양을 벗어나지 못한다. 흘러나오는 쪽과 들어오는 쪽이 각가 자기장의 한 극이다.

코로나는 태양의 최외각 부분으로, 스스로 빛을 내는 고온의 플라즈마 대기층이다. 그 크기는 수백만 킬로미터에 달하며, 태양의 빛에 가려 잘 보이지 않지만 간혹 개기일식이 일어나는 경우 지상에서도 코로나를 관측할 수 있다. 코로나의 온도는 100만-300만도에 달해서 태양 표면의 몇백배에 달하는데, 왜 이렇게 코로나가 가열되는지는 학자들의 의견이 분분하다. 다만 코로나의 밀도는 태양에 비해 아주 낮기 때문에, 각 입자의 온도와 상관없이 실제 가지고 있는 열량은 태양에 크게 못미친다.

 

케플러 법칙

케플러의 법칙은 케플러가 발견한 행성의 운동에 관한 3개의 법칙이다. 이 법칙은 항성을 공전하는 모든 천체에 적용되며, 여기에는 혜성도 포함된다. 케플러의 법칙은 뉴턴의 법칙에서 완벽하게 유도된다. 3개의 법칙은 다음과 같다.

 

제 1법칙. 행성은 타원으로 공전한다. 즉 행성은 원이 아니라 타원으로 돈다. 정확히 말하면 행성은 항성 자체가 아니라 항성과 가까운 어느 점을 중심으로 공전하는데, 이 점도 약간씩 움직이기 때문에 행성이 타원을 그리게 된다. 마찬가지로 항성도 이 점을 따라 돌며, 단지 점이 항성과 매우 가깝기 때문에 잘 안보일 뿐이다.

 

제 2법칙. 면적속도 일정의 법칙. 행성과 항성을 잇는 선이 일정시간 동안 휩쓴 면적의 넓이는 항상 동일하다. 이는 행성의 공전 속도가 위치에 따라 다르다는 것을 의미한다. 아래 그림을 보라.

 

항성을 공전하는 행성. S1과 S2, S3의 면적은 동일하다.

위의 그림에서 보듯이 세 부채꼴의 면적은 동일하다. 그러기 위해서는 행성이 항성과 가까운 근일점에서는 빠르게 움직이고 원일점에서는 느리게 움직여야 한다. 이로 인해 행성의 공전속도는 항성과의 위치에 따라 달라진다. 이러한 운동은 각운동량의 보존을 보장하기 때문에, 제 2법칙은 각운동량 보존의 법칙에서 유도할 수 있다.

 

제 3법칙. 조화의 법칙. 행성의 공전주기와 항성까지의 거리는 비례한다. 좀 더 정확히 설명하자면, 행성의 공전주기와 항성까지의 거리는 다음과 같은 식을 따른다.

 

T=공전주기 a=항성까지의 거리

실제로 행성의 공전주기와 항성까지의 거리를 측정하며 이 법칙을 정확하게 따른다. 또한 다른 소행성과 혜성도 이 법칙을 따르며, 다른 항성에서도 적용된다. 

 

티티우스-보데 법칙

티티우스-보데 법칙은 1766년 독일의 천문학자 요한 티티우스가 발견하고 72년 베를린 천문대장 보데가 발표한 법칙으로, 태양계 내 행성들의 위치가 특정한 법칙을 따른다는 주장이다. 이 법칙에 따르면 각 행성이 태양으로부터 떨어진 거리는 아래 식의 값을 따른다.

 

a=x(단위는 AU)

실제 측정결과, 대부분의 행성이 a와 일치했다. 단 저 식에 따르면 화성과 목성 사이에 행성이 있어야 하지만 실제로는 없다. 하지만 이를 이상하게 여긴 학자들이 해당 위치를 조사한 결과, 행성은 발견할 수 없었지만 대신 준행성급 천체인 왜소행성 세레스를 발견했다. 비록 해왕성의 위치예측은 완전히 실패하여 이 법칙은 잘 거론되지 않지만, 장하석을 비롯한 몇몇 학자들은 아직도 이 법칙에 관심을 기울이고 있다.

 

지구형 행성

태양계의 행성은 지구형 행성과 목성형 행성으로 나눌 수 있다. 지구형 행성은 크기는 작지만 밀도가 큰 행성으로, 수성, 금성, 지구, 화성 등이 있다. 이들은 모두 자전주기가 길고 이심률이 적으며, 대개 규소와 철로 구성되어 있으나 대기는 산소, 이산화탄소, 물 등으로 구성되어 있다. 지구형 행성은 목성형 행성에 비해 편평도가 낮은데, 편평도란 한 타원이 원에서 벗어난 정도를 말하는 것으로 편평도가 크면 클수록 극반지름이 적도반지름보다 작아진다. 편평도는 적도반지름에서 극반지름을 빼고 이를 다시 적도반지름으로 나눠 계산하는데, 지구의 편평도는 300분의 1이다. 행성에 밀도가 큰 부분이 많을수록 편평도가 작아지기 때문에 지구형 행성이 목성형 행성보다 더 편평도가 낮다.

 

수성(mercury)은 태양과 가장 가까운 행성으로, 크기가 매우 작아 달보다도 작다. 태양에 너무 가깝기 때문에 태양의 조석력에 의해 공전주기와 자전주기가 3:2의 비율을 이루고 있다. 새벽에 동쪽에서 뜨는 경우는 아폴로, 초저녁에 서쪽에서 뜨는 경우는 헤르메스라 부르며, 최대이각(지구기준으로 운동하는 각도)은 22도이다. 태양과 가깝기 때문에 온도가 높으며, 대기가 희박하여 일교차가 매우 크다. 이는 자기장이 약하기 때문으로, 수성의 자기장은 지구보다 400배 약하다. 공전과 자전 주기가 비슷하기 때문에 수성에서의 실제 하루(태양고도가 같아지는 주기)는 176일이다. 달과 달리 자전과 공전주기가 일치하지 않는 이유는 수성의 궤도가 이동하기 때문으로, 근일점에서 수성은 태양의 강력한 중력에 잡혀 약간 더 머물다가 나오기 때문에 궤도가 약간씩 틀어진다. 이 현상은 뉴턴역학으로는 설명되지 않았지만 나중에 상대성이론을 통해 설명된다.

 

금성(vinus)은 두번째에 위치한 행성으로, 저녁에 뜨면 개밥바라기(태백성), 새벽에 뜨면 샛별(계명성)이라고 불렸다. 달이 그러듯이 위치에 따라 모양이 변하는데 이는 갈릴레오에 의해 처음 발견되었다. 공전주기보다 자전주기가 더 길어서 하루가 1년보다 더 길며, 자전축이 90도 기울어져서 자전방향이 다른 행성과 반대다. 반사율이 0.65로 행성중에서 가장 높은데, 이는 매우 두꺼운 대기를 가지기 때문이다. 대부분 이산화탄소로 이뤄진 대기층은 매우 두꺼워 92기압에 달하며, 그만큼 온실효과가 커서 금성은 1년내내 어디든 최고 480도까지 유지한다. 행성 대기는 두꺼운 황산구름이 떠다니며, 황산은 화산과 번개에 의해 생성되었다. 2015년 비너스 익스프레스가 금성 탐사를 위해 발사되었다.

 

지구

지구(earth)는 태양계에 위치한 3번째 행성으로, 높은 밀도를 가진 고체 행성이며 회전관성에 의해 적도반지름이 극반지름보다 약간 크다. 지구는 반시계방향으로 공전하고 있으며 자전축이 기울어져 태양의 고도가 1년 주기로 바뀐다. 이로 인해 지구에는 계절의 변화가 나타난다. 자전축의 기울기는 주변 천체들의 중력에 의해 4만년 주기로 요동하는데, 23.5도에서 22.1도 사이에서 요동하는 것으로 보인다. 다행히 지구는 달의 인력으로 인해 자전축의 요동이 약하다. 이는 자전축의 요동이 11-49도에 달하는 화성과 대비된다.

 

지구는 끊임없이 공전하기 때문에 몇가지 특이한 현상이 지구에서 관찰된다. 대표적인 경우가 연주시차인데, 연주시차는 공전궤도상에서의 위치 차이로 인해 별의 위치가 달라보이는 현상이다. 비슷하게 광행차는 지구에서 인식한 별의 방향이 실제 방향보다 약간 기울어진 현상으로, 비가 올때 뛰면 빗줄기가 기울어지는 것처럼 보이는 현상과 같다. 한편 공전궤도상의 위치에 따라 각 별까지의 거리가 변하기 때문에 아주 미약한 정도로 도플러 편이가 발견되는데, 이 3가지 현상은 아쉽게도 육안으로 관찰하기는 매우 힘들다.

 

지진파 조사결과 내부는 높은 온도로 인해 액체이거나 액화되었지만, 최심부는 강한 압력에 의해 고체 상태를 유지하고 있다. 얕은 순으로 지구는 고체로 이루어진 지각과 유동질의 고체로 된 맨틀, 액체이며 회전하면서 자기장을 생성하는 외핵, 완전한 고체인 내핵으로 구성되어 있는데, 지구의 핵은 철과 니켈로 구성되어 있다. 지구 내부는 매우 뜨거운 온도를 유지하는 반면 지구의 표면온도는 매우 낮다. 태양의 표면온도는 6000k에 달하는 반면 지구의 표면온도는 288k에 불과하다. 이러한 표면온도의 차이로 인해 지구는 태양이 내뿜는 가시광선보다 약한 적외선을 방사한다.

 

지구는 강력한 자기장과 중력을 통해 대기를 가지고 있다. 대기는 다량의 산소와 이산화탄소로 구성되었는데, 전자는 오존층을 통해 자외선을 막고 후자는 온실 효과를 일으켜 생명을 보존한다. 온실 효과는 들어오는 빛은 투과하고 나가는 빛의 일부를 흡수하는 현상인데, 지구는 자신을 향해 쏟아져 들어오는 태양빛의 대부분을 그대로 흡수하지만 이 에너지가 다시 복사되어 빠져나가는 것은 일부 막는다. 왜냐하면 지구는 들어오는 태양빛은 대부분 가시광선이라 잘 흡수되지 않지만, 지구에서 복사되어 나가는 적외선은 이산화탄소, 이산화질소, 프레온가스, 메탄(대부분 이산화탄소) 등의 온실가스에 흡수되기 때문이다.

 

온실효과로 인해 지구는 일정한 온도를 계속 유지함으로써 생명이 자랄 안정적인 환경을 구축하는데 성공하였으나, 최근 인간의 활동에 의해 온실가스가 증가하면서 지구의 기온이 점점 오르고 있다. 지난 100년간 평균기온이 1.4도 상승했는데, 1도의 상승도 자연재해의 다발과 밀접한 관련이 있음을 주의하라.

 

지구의 자전

자전은 한 천체가 자신의 회전축을 중심으로 회전하는 현상을 말한다. 지구의 자전방향도 공전방향과 같이 반시계 방향인데, 이는 우연의 일치이다. 왜냐하면 태양계 원반의 흐름과 일치하는 공전방향과 달리 자전방향은 천체를 형성한 여러 천체들이 서로 충돌하면서 만들어진 힘에 의해 결정되기 때문이다. 이러한 영향은 천체가 형성된 이후도 마찬가지로, 지구의 자전은 달의 인력에 의해 지속적으로 느려지고 있다. 한편 지구가 자전하기 때문에 인공위성 궤도는 실제보다 약간 서쪽으로 기운 것처럼 보이며, 자전축과 완전히 수직인 적도에서는 원심력이 최대가 되어 달걀을 세우면 잘 세워진다. 또한 코리올리 효과도 자전에 의해 생긴다. 이러한 자전의 영향력은 푸코의 진자로도 관찰할 수 있는데, 푸코의 진자는 진동면의 회전을 통해 자전을 알 수 있다. 이는 푸코의 진자가 매우 무겁고 줄이 매우 길어서 상대적으로 자전에 대항하는 큰 관성을 유지할 수 있기 때문이다.

 

한가지 들 수 있는 의문점은 왜 우리가 자전과 공전을 느끼지 못하냐는 것이다. 지구는 초속 30km의 속도로 공전하고 있지만, 우리는 지하철 안보다 더 편안함을 느낀다. 고속으로 돌고 있는 지구 위에 있는 우리가 그 속도를 느끼지 못하는 이유는, 각운동량의 변화는 매우 작기 때문이다. 비록 공전이나 자전이나 움직이는 속도는 매우 빠르지만 각도의 변화량은 매우 작다. 회전 관성은 운동 그 자체보다는 각운동량과 더 연관되어 있기 때문에 지구가 초속 몇키로로 움직이건 우리는 느끼지 못한다. 더구나 시각적 피드백이 있으면 우리도 움직임을 지각할 수 있지만, 주변의 모든 물체가 같이 회전하기 때문에 그럴 일도 없다.

 

세차운동은 지구의 자전축이 2만 6000년을 주기로 요동하는 현상이다. 앞서 말했듯이 지구의 자전축은 주변 천체들의 인력에 영향을 받아 주기적으로 진동한다. 이것은 천문학에서 중요성을 가지는데, 왜냐하면 자전축이 바뀌면 별자리 지도도 수정이 불가피하기 때문이다. 현재 북극성은 자전축의 방향과 거의 일치하는 방향에 있는데(그래서 북극성이다), 사실 자전축의 변화를 충분히 느낄 수 있는 몇천년 전에는 북극성의 위도가 지금과 달랐다. 그래서 이집트인이 기록한 별의 위도도 현재 별의 위도와 차이가 난다. 비슷하게 점성술의 기초가 확립된 3000년전의 별자리도 지금과 위치가 달랐기 때문에, 사실 당신들이 가진 별자리는 실제 당신들이 태어날때 하늘에 없던 것이다. 역으로 세차운동은 계속 일어나고 있기 때문에 언젠가 지금의 북극성도 북극성의 위치에서 내려오게 된다. 학자들은 13000년 뒤에 지금의 직녀성이 북극성이 된다고 예측한다.

 

지구의 자전은 계속 느려지고 있다. 이는 달이 기조력을 작동시켜 지구의 자전을 늦추고 있기 때문이다. 이를 역산하면 지구가 생성될 당시에 지구의 하루는 6시간이었지만, 차차 느려져 지금은 24시간으로 늘어났다. 이는 몇억년간 존속하면서 밤과 낮에 생장패턴이 달라지는 산호군의 화석을 통해서도 확인할 수 있다. 20억년 후에는 지구의 하루가 90일이 될 예정이며 140억년 후에는 지구의 자전이 멈출 예정이다.

 

코리올리 효과(전향력)

코리올리 효과는 지구상에서 속도가 빠른 물체가 동쪽으로 편향되어 움직이는 현상을 말한다. 대표적인 예가 편서풍인데, 편서풍은 단순히 북쪽으로 올라오는 바람이지만 코리올리 효과에 의해 동쪽으로 기울어 분다. 코리올리 효과가 생기는 이유는 지구의 자전으로, 지구가 끊임없이 서쪽으로 돌기 때문이다. 보통 다른 물체도 회전 관성이 작용하여 같이 서쪽으로 돌지만, 간혹 속도가 매우 빨라 운동량이 큰 물체들은 여기 영향을 받지 않는다. 이로 인해 이 물체들은 상대적으로 동쪽으로 이동하게 되고 이것이 지구상에 고정된 사람들에게는 마치 물체가 동쪽으로 기울어지는 것처럼 보이게 된다.

 

코리올리 효과는 다양한 영역에 적용된다. 가장 먼저 편서풍이 코리올리 효과의 결과이며, 무역풍의 방향도 마찬가지다. 무역풍과 편서풍 모두 같은 코리올리 힘을 받지만, 위뎅 따라 자전의 영향력이 약해 정도에 차이가 있다. 또한 태풍의 회전도 지구의 자전에 의해 발생하며 태풍의 이동방향 역시 편서풍과 유사하다. 코리올리 효과는 기상학뿐만 아니라 군사 분야에서도 중요한데, 왜냐하면 현대 군사무기들은 사정거리가 길고 속도도 매우 빠르기 때문이다. 표준적인 155mm 야포들은 초음속의 속도로 3-40km 거리까지 포탄을 발사하는데, 이는 포탄이 코리올리 효과의 영향을 충분히 받게 해준다. 그렇기 때문에 순항미사일과 대포를 발사할때는 코리올리 효과를 감안한 계산이 필수적이며, 총을 사용한 장거리 저격에서도 코리올리 효과가 검토된다.

 

지구 자기장

지구는 암석행성 중에서 유달리 자기장이 강한 행성이다. 사실 자기장의 세기는 0.2-0.8가우스로, 세기만 놓고 보면 지구는 암석행성보다 뒤의 거대행성에 가까운 천체이다. 이처럼 강력한 자기장이 지구를 둘러싸서 태양에서 날아오는 전하, 양성자 등의 태양풍을 막아준다. 자기장에 막힌 입자들은 자기장의 자극에 이끌려 극지방으로 가서 대기중 입자와 상호작용하는데, 이 상호작용을 통해 발생하는 에너지가 오로라로 관측된다. 다이나모 이론에 따르면 이러한 자기장은 자전에 의한 외핵의 회전에 의해 생성되는 것으로, 외핵이 회전하면서 거기 포함된 전하가 같이 움직이기 때문에 이로 인해 나타난 전류가 자기장을 생성한다고 한다.

 

지구 자기장은 고정되지 않고 지속적으로 변해왔다. 정확히 말하면 지구 자기장은 60만년을 주기로 변해왔는데, 60만년으로 주기로 남극과 북극이 서로의 극을 바꿔왔다. 그래서 과거에는 북극이 S극, 나극이 N극인 시기가 있었으며, 이 둘이 서로 중첩되는 시기도 있었다. 지구 자기의 극이 바뀌는 현상은 발견된 당시 많은 과학자들의 우려를 자아냈는데, 왜냐하면 극성이 바뀌는 과도기 동안에는 지구의 자기장이 매우 약해지기 때문이다. 그러면 태양풍을 막지 못하기 때문에, 태양풍에 포함된 방사선이 인류 거주지까지 떨어질 수도 있다. 다행히도 현대 과학자들이 밝혀낸 바에 따르면 과도기는 몇만년에 걸쳐 서서히 행해지기 때문에 생물계에 끼치는 영향은 제한적이라고 한다.

 

달

달(moon)은 지구의 유일한 자연위성으로, 지구의 25% 크기를 가진 위성이다. 대기가 없기 때문에 지구에 비해 일교차가 극심하며, 조석력에 의해 지구와의 거리가 점차 멀어지고 있다. 달표면은 저지대인 바다와 고도가 높아 햇빛을 잘 반사하는 고지, 그리고 수십억개의 크레이터로 구성되어 있는데, 달의 바다는 대개 달의 앞면에 있으면 뒷면은 무수한 크레이터로 가득하다. 달의 표면을 구성하는 물질은 수십센티-수미터의 층을 형성하는 레골라스로, 레골라스는 일종의 모래인데 매우 부드러워 발자국을 남기기 수월하다. 오래전부터 인간들은 달이 신성한 존재라고 믿어왔으며 더러는 달을 지구의 수호신으로 여기고 숭배하였다. 실제로 달이 지구로 오는 운석의 일부를 막아주고 중력을 통해 지구 자전축의 기울기를 일정 정도로 유지하고 있기 때문에 아주 틀린 말은 아니다.

 

달의 공전주기는 달의 자전주기와 같으며, 지구의 자전주기와 같다. 이는 조석 현상에 의한 것으로, 행성에 가까이 위치한 위성에서 자주 나타난다. 행성을 도는 위성은 행성에 가까운 부분과 먼 부분이 각기 다른 크기의 중력을 받는데, 가까운 부분은 그 위치를 유지하기 위해 위성의 자전에 저항(이를 조석력이라 하며, 중력과 달리 거리의 세제곱에 비례한다)하게 된다. 이런 저항이 반복되면 위성의 자전이 느려지게 되고, 결국 위성의 한쪽면만 행성을 바라보게 될 때까지 자전이 느려진다. 이를 조석현상이라 하는데, 조석 현상에 의해서 달의 앞면은 항상 지구를 바라보는 반면 달의 뒷면은 지구에서 볼 수 없다. 최근까지 달을 뚫고 달 뒷면까지 전파를 보낼 방법이 없어서 달의 뒷면에 대한 탐사가 힘들었지만, 기술이 발달하면서 중국이 창어 4호를 달 뒷면에 착륙시키는데 성공했다.

 

과거에는 달이 지구와 동시에 생성되거나 원심력에 의해 지구에서 분리되었을 거라고 가정되었다. 소수 학자는 외계를 떠돌던 달을 지구가 중력을 포획했다고도 주장했다. 그러나 달이 다른 위성들처럼 자연적으로 형성되었다기에는 지구에 비해 너무 크기가 크며, 지구에 포획될 만큼 질량이 작지도 않다. 그래서 최근까지 달의 탄생은 미스터리에 쌓여있다가. 현재는 거대충돌설이 받아들여졌다. 거대충돌설에 따르면 달은 지구가 원시행성 테이아와 충돌한 부산물로, 지구가 테이아에 충돌한 후 로슈 한계 밖으로 날아간 잔해들이 뭉쳐 달이 되었다. 이 가설은 시뮬레이션을 통해 재현된 이후 정설이 되었다.

 

달과 지구의 거리는 갈수록 멀어지고 있다. 달의 기조력으로 인해 지구의 자전은 점점 느려지고 있는데, 느려진 운동량의 손실분만큼 달과 지구의 거리가 늘어나야 운동량이 보존되기 때문이다. 달이 처음 생성되었을 당시에는 달과 지구의 거리가 2만km였으나, 지금은 38만km 정도 떨어져 있으며 연간 3.8cm씩 멀어지고 있다. 20억년 뒤에는 둘의 거리가 60만km에 달할 예정이며 140억년 후에는 지구궤도를 떠나게 된다.

 

 

화성

화성(mars)은 춥고 건조한 행성으로, 대기가 지구의 1%밖에 되지 않아 온실효과가 없다. 가끔씩 거대한 모래폭풍이 관찰되며 양 극지방에 드라이아이스와 소량의 물이 언 극관이 존재한다. 중간에 거대한 흑색 금처럼 생긴 지형이 보이는데, 매리너리스 협곡은 길이 6000km에 달하는 거대한 협곡이다. 이외에 올림포스 화산도 화성에 존재하는데, 높이 27km의 이 화산은 태양계에서 가장 큰 화산이며 밑에 세 쌍둥이 화산도 나름대로 크다. 포브스와 데이모스라는 2개의 위성이 주위를 돌고 있다.

 

예전부터 화성에 생명이 사는지 많은 사람들이 궁금해했다. 실제로 화성에서 물이 흐른 흔적이 다수 발견되었고, 최근까지도 소금물 개천이 흐른다는 증거가 발견되었다. 또한 최근에는 극관에 녹은 물이 웅덩이를 이룬 모습이 발견되어 생명의 필수요소인 액체 물이 존재한다는 사실이 확인되었다. 이처럼 화성에 대한 궁금증이 다른 행성보다 남달랐기 때문에, 일찍이 인류는 여러 탐사선을 화성에 보냈다. 가장 최근에 보낸 탐사선은 큐리오시티(curiosity)로, 2012년 착륙했으며 8개월 반동안 5.7억 km를 이동하였다. 한편 천문학자 칼 세이건은 이산화탄소 공장을 설치하여 온도를 높이고 식물로 이산화탄소를 분해하여 화성을 테라포밍할 수 있다는 아이디어를 제안한 바 있다.

 

 

소행성대

소행성대는 수많은 소행성들이 무리를 이루어 돌고 있는 화성과 목성 사이의 지대를 말한다. 이 지역의 대표적인 천체는 2.8AU 지점에서 돌고 있는 지름 457km의 왜소행성 세레스(ceres)가 있다. 대부분의 소행성이 이 소행성대를 도는데 간혹가다 여기서 벗어난 소행성이 다른 행성에 충돌하곤 한다. 지름 1.1km에 달하는 베링거 크레이터나 6500만년전 공룡이 멸망할대 새겨진 칙술루브 크레이터는 모두 소행성이 지구와 충돌한 흔적이다.

 

왜 세레스는 행성이 되지 못했을까? 이는 목성과 토성의 궤도공명때문이다. 궤도공명은 공전하는 두 천체의 공전주기가 작은 정수비일때 두 천체가 서로 주기적인 중력의 영향을 주면서 생기는 현상이다. 궤도공명이 발생하면 두 천체가 다른 천체에 영향을 주어 공명시키면서 붕괴시키기 때문에 둘 사이의 특정 지역에서 거대천체의 형성을 방해한다. 목성의 이오, 유료파, 가니메데가 궤도공명을 일으켜서 이들 사이에는 존재하는 천체가 없으며, 명왕성과 해왕성도 궤도공명을 일으킨다. 소행성대의 경우에는 목성과 토성이 궤도공명을 일으키면서 커크우드 간격이라는 틈을 만들어내는데, 이 커크우드 간격으로 소행성들이 나뉘면서 행성을 만들 재료가 충분히 모이지 못하고 모두 소행성으로 따로 존재하게 되었다.

 

유성과 운석

유성(meteor, 별똥별)은 혜성이나 소행성에서 떨어졌거나 원래 존재하던 우주먼지의 일부가 지구 대기권에 진입한 경우를 말한다. 먼지라고 해도 일반적으로는 조약돌만한 크기이며, 지구 대기에 진입하면서 발생하는 열로 인해 불타는데 이 빛이 우리에겐 아름다운 유성빛으로 보이게 된다. 유성우는 다량의 먼지가 지구와 접촉하여 유성이 동시다발적으로 생기는 현상으로, 보통 유성이 출발하는 천구상 지점의 별자리에서 유성우의 이름을 붙인다. 가장 유명한 유성우는 페르세우스 유성우가 있다.

 

천체에서 떨어져 나왔지만 지구에 접근하진 않은 미소천체들을 유성체(meteoroid)라 하며, 지구로 낙하한 유성이 완전히 타지 않고 일부 남아있는 경우 이를 운석(meteorite)이라 부른다. 돌로 된 석질 운석도 있지만 철이나 여타 금속으로 이뤄진 철질 운석도 있으며, 유성으로 떨어지면서 생긴 고열로 인해 화학적 변성이 일어나는 운석도 있다. 화학적 변성으로 인해 순도가 높은 철로 구성된 철질 운석은 철기 기술이 발달하지 못했던 고대에 지도자의 철검을 만드는데 사용되기도 했다.

 

목성형 행성

목성형 행성은 지구형 행성과 달리 크기는 크고 상대적으로 밀도는 작은 행성으로, 소행성대 뒤에 분포해 있다. 목성형 행성은 일명 가스행성으로 불리는데, 그만큼 행성의 대부분이 수소, 헬륨 등의 가스거나 적어도 두껍고 차가운 대기가 행성을 가득 감싸고 있고 자전 속도가 매우 빠르다. 목성형 행성은 질량이 매우 커서 하나하나가 나머지 지구형 행성을 모두 합친 것보다 크며, 그만큼 위성도 많이 거느리고 있고 고리도 존재한다. 주로 수소, 헬륨, 메탄, 암모니아로 이뤄져 있다.

 

지구형 행성과 목성형 행성의 비교도

토성(saturn)은 크로노스와 비슷한 로마의 신 사투르누스에서 명칭을 빌려온 목성형 행성으로, 태양계에서 가장 편평도가 크며 밀도는 가장 낮다. 밀도가 너무 낮아서 물보다 낮으며, 때문에 표면중력이 지구의 0.914배밖에 되지 않아 상대적으로 큰 고리가 형성되었다. 대신 위성의 수가 목성에 필적할 정도로 많으며, 이외에도 고리에 있는 수많은 소위성(moonlet)이 존재한다. 목성과 마찬가지로 수소바다와 얼음, 암석핵이 존재하지만, 밀도가 낮은데서 볼 수 있듯이 그 어느 행성보다도 가스가 차지하는 비중이 높다. 토성의 고리는 소위성에 의해 여러 간극이 나뉘어 있는데, 이중 가장 유명한 카시니 간극은 위성 미마스의 영향으로 궤도공명이 일어나 생성되었다. 한편 토성의 고리는 유달리 얼음이 많고 큰데, 왜 이렇게 고리가 형성되었는지는 아직 미스터리이다. 현재의 정설은 토성의 표면중력이 약해서 제대로 잔해를 흡수하지 못한 게 원인으로 보인다.

 

타이탄(titan)은 토성의 위성으로, 호이겐스에 의해 발견된 토성의 가장 큰 위성이다. 조석력으로 인해 토성과 동주기 자전하는데, 내부에 있는 탄화수소(메탄)가 액체상태로 존재하여 각종 기상현상을 일으킨다. 2006년에는 타이탄에서 메탄의 호수가 발견된 바 있으며, 다량의 메탄이 강과 호수를 만들고 있다. 몇몇 학자들은 타이탄에 메탄 기반 생명체(물 기반이 아닌)가 존재할 수도 있다고 주장하며, 이에 동조하지 않더라도 타이탄은 지구처럼 탄소가 많고 초기 지구와 환경이 유사하기 때문에 많은 학자들이 타이탄에서 지구 생명탄생의 실마리를 찾을 수 있으리라고 보고 있다. 한편 엔셀라두스는 윌리엄 허셜이 발견한 토성의 위성으로, 목성의 유로파와 마찬가지로 위성 전체가 얼음으로 뒤덮여있다. 최근에 남극에서 대량의 물이 분출되는 것이 관찰되면서, 유로파와 마찬가지로 생명존재 가능성이 점쳐지고 있다.

 

천왕성(uranos)은 천문학자 존 플램스티드에 의해 발견된 행성으로, 처음에는 혜성으로 착각했지만 나중에 행성으로 분류되었다. 자전축이 97도로 기울어져 있어 거의 옆으로 자전하며, 해왕성보다도 온도가 낮다. 주로 황화수소, 얼음, 암모니아로 구성되어 있고 대기는 대부분 수소와 약간의 헬륨으로 되어 있는데, 많은 메탄 구름이 대기를 떠다닌다. 이것이 천왕성이 창백하고 밝은 푸른빛을 띠는 이유이다. 13개나 되는 고리를 가지고 있지만, 얼음이 별로 없어서 망원경으로 관측불가능하다.

 

해왕성(neptune)은 태양계의 마지막 행성으로, 바다의 신 넵튠에서 이름을 따왔다. 해왕성은 원래 천왕성의 궤도를 보고 추측된 행성으로, 애덤스와 르베리에가 가상의 행성 궤도를 예측한 후 베를린 천문대장 갈레가 1846년에 실제로 해당 궤도에서 해왕성을 발견하였다. 그래서 해왕성은 한때 뉴턴역학의 승리의 증거로 공공연히 인용되었다. 행성은 수소와 약간의 헬륨, 메탄으로 이뤄져 있고 표면은 액체상태의 수소바다가 덮고 있다. 고리가 목성만큼 빈약하고 표면온도는 영하 218도에 달한다. 목성과 비슷하게 대암점이라는 폭풍이 표면에 존재한다. 해왕성의 위성 트리튼은 전체 해왕성 위성 질량의 99.5%를 차지하는 거대위성인데, 공전면이 해왕성과 157도 차이나고 공전방향도 해왕성의 자전방향과 반대이다. 포획위성설에 따르면 이는 트리튼이 본래 외부에 있었으나 해왕성의 중력에 포획되어서 그렇다. 표면온도는 영하 236도로 더 춥다.

 

목성

목성(jupiter)은 태양계에서 가장 큰 행성으로, 잘 안보이는 고리와 79개 이상의 위성을 거느리고 있으며 위성은 아직도 계속 발견되고 있다. 반면에 표면온도는 매우 낮아서 영하 144도에 달하는데, 행성이 크고 자전속도가 빠르기 때문에 자기장도 강해서 지구의 10배에 이른다. 대부분 수소와 헬륨으로 되어있으며, 대기 밑에 압력과 열로 인해 액화된 금속성 수소의 바다가 존재하고 이 밑바닥에 얼음과 암석으로 된 핵이 존재한다. 목성의 고리는 두께가 150-1000m 정도인데, 너무 작아서 통상적인 망원경으로는 관측이 불가능하다. 대적점(대적반)은 목성에 위치한 유명한 지형인데, 태양계 최대의 폭풍으로 붉은 반점같은 모양을 하고 있어서 대적점이라는 명칭이 붙었다. 지구의 2배 크기인 이 폭풍은 반시계방향으로 회전하고 있는데, 300년전부터 지금까지 꾸준히 관측되고 있다.

 

대적점

갈릴레오 위성은 목성에 가까우면서도 질량이 큰 4개의 위성을 말하는 것으로, 갈릴레오에 의해 발견되었다. 목성에 가까운 순으로 이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토가 있는데, 목성의 조석력으로 인해 칼리스토를 빼고 공전비가 1:2:4이며 이게 궤도공명을 일으켜 중간의 천체들을 청소한다. 가장 가까운 이오는 목성의 조석력에 의해 위성이 쥐어뜯기면서 지열이 발생하여, 현재 400개의 화산이 황화합물을 분출하고 있다. 가니메데는 유로파 뒤에 있는 규산암 위성인데, 태양계에서 가장 큰 위성으로 수성보다도 크다. 칼리스토는 가장 멀어서 공전비가 목성의 자전과 맞춰지지 않았는데, 표면이 얼음으로 되어있고 내부에는 액체 상태의 물이 있을 가능성이 제기되고 있다.

 

유로파(에우로파)는 목성의 2번째 위성으로, 행성 전체가 얼음에 쌓여 있으나 내부에 액체 상태의 물이 있을 가능성이 제기되었다. 그래서 태양계에 생명이 살 가장 유력한 천체로 뽑혀 NASA와 ESA에서 얼음 시추선을 파견하는 cryobot 계획을 계획했으며, 유로파 클리퍼라 불리는 이 계획에 따르면 2020년에 유로파를 향해 탐사선을 보낼 계획이다. 만약 탐사선이 보내진다면 유로파에 착륙한 탐사선이 얼음층을 뚫고 내부를 탐사할 것이다. 그러나 유로파 클리퍼는 트럼프 정부의 불신을 받고 있고 주요 후원자인 존 컬버린 의원이 낙선했기 때문에 존폐위기에 놓여있다. 

 

한편 유로파 클리퍼와 별개로, 파이오니어 10,11호가 목성 탐사를 위해 목성에 근접한 적이 있으며, 보이저 1,2호도 목성을 탐사한 바 있다. 이후 갈릴레오 호가 목성과 갈릴레오 위성을 탐사했고 1997년에는 목성대기에 탐침을 투하하여 목성의 대기를 조사하였다. 21세기에도 탐사선 주노가 목성의 내부를 조사하기 위해 2011년 발사되어 2016년 목성궤도에 진입하였다. 사실 많은 탐사선들이 목성을 지나가는데, 이는 목성의 중력이 강해서 행성의 중력을 이용해 우주선을 가속하고 궤도를 수정하는 스윙바이 항법(fly-by, gravity-assist)을 실행하기에 가장 적합하기 때문이다.

 

 

카이퍼벨트(kuiper belt,카이퍼대)

카이퍼벨트는 해왕성 궤도에 약간 걸쳐서 바깥 3000AU까지 퍼져있는 도넛모양의 지대를 말한다. 일찍이 단주기 혜성이 이곳에서 올거라는 예견이 있었으며, 150-800AU에는 간격이 띄엄띄엄하다. 카이퍼벨트에 위치한 천체는 KBO라 부르는데, 대부분 얼음과 먼지로 되어있다.

 

오르트 구름(oort cloud)은 태양계 전체를 감싸는 구 모양의 지대로, 다른 천체가 태양을 중심으로 한 회전원반체에서 유래한 것과 달리 이곳은 성운 시절의 모습 그대로 남아있다. 얼음과 메탄, 암모니아 등으로 구성되어 있으며 200-5만AU 지역에 장주기 혜성이 광범위하게 분포해 있다. 1932년 천문학자 에른스트 오픽이 처음 제안했으며, 이후 1950년 같은 개념을 제안한 얀 오르트의 이름을 따서 명명되었다. 2003년 보이저 2호가 오르트 구름으로 진입하는 heliosheath를 통과했으며, 2015년에는 오르트 구름의 끝자락인 heliopause를 통과하여 태양계 외부로 날아갔다.

 

명왕성(pluto,플루토)

명왕성은 카이퍼벨트 안쪽을 도는 왜소행성으로, 해왕성과 마찬가지로 해왕성 궤도의 어긋남에서 역산하여 예측된 천체이다. 명왕성은 크기도 작고 밀도는 크며 공전면도 어긋나있고 궤도도 불안정해서 근일점에서는 해왕성보다 태양에 더 가깝다. 이처럼 이상한 특성을 가지기 때문에 클라이드 톰보가 명왕성을 발견한 후 학자들이 명왕성이 행성인지 의심하게 되었고, 결국 카론의 존재로 2006년 행성에서 왜소행성으로 재분류되었다. 현재 뉴 호라이즌스 호가 명왕성과 카론, 카이퍼벨트를 탐사하기 위해 2006년 클라이드 톰보의 유골을 실은 채 발사되어 2015년 명왕성에 근접하였다.

 

왜소행성(dwarf planet)은 명왕성이 행성에서 추방되면서 새로이 정립된 분류기준으로, 행성은 아니지만 크기가 너무 커서 도저히 소행성으로 볼 수 없는 준행성급 천체들을 말한다. 왜소행성이 되려면 태양을 공전해야 하고, 구형을 유지할 만한 질량을 가져야 하며, 다른 천체의 위성이 아니고, 자기 궤도에서 다른 천체를 배제해야 한다. 명왕성과 함께 소행성대의 세레스와 에리스가 왜소행성으로 분류되었고, 이후 하우메아와 마케마케가 발견되자 이들도 왜소행성에 분류되었다.

 

카론은 명왕성의 위성이지만, 위성이라기엔 너무 크다. 카론의 크기는 명왕성의 반에 달하고, 질량은 7분의 1에 육박한다. 이처럼 거대하기 때문에 두 천체의 공전중심이 명왕성 밖에 있으며, 그래서 카론과 명왕성을 쌍성으로 분류하자는 학자도 존재했다. 학자들은 달과 마찬가지로 카론도 명왕성이 다른 천체와 충돌한 후 그 파편으로 만들어졌다고 본다. 카론 이외에는 닉스와 히드라라는 천체가 명왕성 주위를 돌고 있다.

 

혜성(comet)

혜성은 얼음과 먼지로 이루어진 작은 천체로, 주로 카이퍼벨트나 오르트구름에서 생성된다. 공전주기가 200년 이하인 단주기 혜성은 보통 카이퍼벨트에서 생성되며, 그 이상인 장주기 혜성은 보통 오르트 구름에서 온다. 근일점에 가까울수록 빨라지며, 아주 기괴한 궤도를 가지고 있는데 사실 케플러의 법칙을 충족한다. 고대에 움직이는 별인 혜성은 왕의 죽음이나 전쟁, 전염병, 홍수 등 불길한 것의 징조로 여겨졌으며, 때문에 몇몇 왕들이 사초에서 혜성의 기록을 지우기도 했다. 최근에는 혜성의 핵에 포함된 유기물들이 우리 생명의 근원일 수 있다는 가능성이 제기되어 관심이 늘어나고 있다.

 

가장 유명한 혜성으로는 헬리혜성이 있다. 헬리혜성은 주기 75.3년의 단주기 혜성으로, 기원전 240년 중국에서 처음 기록되었다. 이후 기원전 164년 바빌로니아. 837년 중동, 독일, 중국, 일본, 1456년 조선(세조)에서도 관찰되었으며, 1682년 천문학자 에드먼드 헬리가 관측하여 연구하였다. 1억 km에 달하는 꼬리는 80%의 수증기와 17%의 일산화탄소, 3%의 이산화탄소로 구성되어 있다. 이외에도 목성에 충돌하여 지구만한 반점을 남긴 슈메이커-레비 혜성도 유명하다. 한편 헬리혜성이 2068년 6월 28일 다시 지구를 지나갈 예정이니 그때까지 기다려보자.

 

혜성의 구조. 수소층이 핵과 그 뒷부분을 덮고 있다.

혜성의 구성요소는 5가지로 꼽을 수 있다. 가장 중요한 핵는 혜성의 가장 중심에 위치한 부분이자 혜성의 대부분을 이루는 부분으로, 얼음과 먼지로 되어있다. 이 핵은 일종의 구름층인 코마(coma)가 둘러싸고 있다. 코마 외부에는 2개의 꼬리가 아주 길게 뻗어있는데, 흰색의 먼지꼬리와 푸른색의 이온꼬리가 있다. 먼지꼬리는 태양열에 의해 기화되어 혜성을 빠져나가는 먼지와 금속으로, 혜성의 운동방향 바로 뒤에 뿌려지기 때문에 혜성의 운동방향을 알 수 있게 해준다. 반면 이온꼬리는 전하로 구성되어 있는데, 혜성에서 빠져나가는건 맞지만 전하를 띠기 때문에 태양의 자기장 방향대로 정렬한다. 그래서 태양의 반대방향으로 분사되며 먼지꼬리와 다른 방향으로 분사된다. 이러한 구성요소들은 10^7km에 달하는 거대한 수소층이 덮고 있다.

 

혜성은 카이퍼벨트와 오르트구름에서 온다. 카이퍼벨트는 주로 얼음으로 된 10만여개의 천체가 원반 모양으로 밀집해 있으며, 오르트구름은 수십억개의 혜성핵으로 구성되어 있다. 카이퍼벨트는 너무 멀기 때문에 과학자들은주로 소행성대까지 들어온 혜성들을 연구하는데, 2004년 ESA에서 혜성을 향해 로제타 위성을 발사하였다. 이 위성은 2014년 혜성에 접선하여 탐사선 필레를 투하하였는데, 착륙은 성공했지만 혜성의 불안정한 자전에 의하여 그늘진 곳에 착륙하였다. 이는 태양광으로 작동하는 필레에게 나쁜 일이었지만, 다행히 지금은 위치를 수정하여 정상적으로 작동하고 있다.

 

 

로슈 한계

로슈 한계(roche limit)는 1848년 프랑스 천문학자 로슈가 발견한 개념으로, 위성이 모행성의 기조력에 의해 무너지지 않고 버틸수 있는 한계거리이다. 행성을 도는 위성은 행성에 의해 끊임없이 기조력을 받는데, 기조력이 너무 크면 행성에 가까운 면과 먼 면이 분리되어 천체가 파괴된다. 이를 방지하려면 위성이 가지는 자체 중력이 모행성의 기조력보다 커야 하는데, 행성의 기조력과 위성의 중력이 동일해지는 거리가 로슈 한계이다. 

 

모든 위성은 로슈 한계 외부에 위치하며, 로슈 한계 내부에 위치한 위성은 행성의 기조력을 이기지 못하고 작은 천체로 분할된다. 가스행성이 가지는 고리들이 바로 기조력에 의해 부서진 위성의 잔해이다. 지구의 로슈 한계는 9500-18300km로, 달은 이 밖에 위치해 있다. 이 안에 위치한 저궤도 위성들은 왜 붕괴하지 않냐고 질문할 수 있는데, 이는 인공위성이 너무 작기 때문이다. 인공위성은 중력이 아니라 금속을 유지하는 전자기력으로 결합된 물체인데, 전자기력은 중력보다 매우 크다. 특히 작은 물체일수록 중력보다는 전자기력(반데르발스 힘)을 통해 하나의 물체로 존재하기 때문에 작은 물체들(이거나 강도가 튼튼한 물체)은 로슈 한계 안에 있어도 붕괴하지 않는다.

 

 

성운설

성운설은 별의 탄생을 설명하는 학계의 정설로, 프랑스의 역학자 라플라스가 먼저 제안했으며 철학자 칸트도 그러한 개념을 제안한 바 있다. 별의 탄생을 설명하는 학설에는 소행성설, 조석설 등이 있는데, 성운설은 이들과 달리 성운이 뭉치면서 별이 탄생한다고 본다. 

 

성운은 은하에 존재하는 수광년 크기의 먼지와 가스 덩어리로, 수소,헬륨 등의 가벼운 기체가 99%를 차지하고 나머지 1%는 먼지로 되어 있다. 별의 폭발로 인해 탄생한 성운은 중력에 의해 다시 뭉치게 되는데, 이때 무거운 먼지들이 먼저 천체를 형성하여 중심핵이 되고 여기에 다른 가스들이 붙으면서 항성이 형성된다. 한편 가스들이 점점 뭉쳐지고 운동량이 보존되면서 더 조밀하고 빠르게 자전하는 회전원반체가 형성되는데, 회전원반체의 자전이 너무 빠르게 이뤄지면서 안에 있는 성운이 항성에 흡수되기 전에 스스로 뭉쳐 천체를 형성하는 경우가 발생한다. 이렇게 형성된 천체를 행성이라 부르며, 상대적으로 항성이 가스를 다 흡수해버린 항성 근처에서는 먼지로 된 암석행성(지구형 행성)이 탄생하는 반면 가스가 아직 많이 남아있는 바깥쪽에는 목성형 행성이 형성된다.

 

성운설에 따르면 성운은 한 방향으로 자전하기 때문에 성운에서 형성되는 항성의 자전방향과 다른 행성의 공전방향이 일치하게 된다. 실제로도 태양계의 행성은 모두 공전방향이 같기 때문에, 성운설은 예측의 성공에 힘입어 학계의 정설이 되었다. 게다가 우주관측 기술이 발전하면서 태양계 외부에 대한 조사도 진행되었는데, 그 결과 성운 안쪽에서 원시항성으로 보이는 천체가 발견되면서 성운설은 다시금 힘을 얻었다.