태양계

태양계(Solar System)는 중심에 위치한 항성인 태양과, 그 중력에 의해 끌려 태양을 공전하는 다양한 천체들로 이루어진 체계이다. 태양을 도는 행성들은 크게 두 그룹으로 나눌 수 있다.

첫 번째 그룹은 지구형 행성(수성, 금성, 지구, 화성)으로, 이들은 주로 고체 표면을 가진 행성들로 구성되어 있으며, 소행성대를 기준으로 태양에 더 가까이 자리 잡고 있다. 

두 번째 그룹은 목성형 행성(목성, 토성, 천왕성, 해왕성)으로, 소행성대 바깥에 위치하며, 주로 가스나 얼음으로 이루어져 있다. 목성과 토성은 가스 행성, 천왕성과 해왕성은 얼음 행성으로 분류된다.

행성 외에도 태양계에는 다양한 소천체들이 존재한다. 소행성대는 화성과 목성 사이에 위치한 원반 모양의 구역으로, 주로 암석과 금속으로 이루어진 소천체들이 밀집해 있다. 카이퍼대와 산란 분포대는 해왕성 너머에 있으며, 이곳의 천체들은 주로 물, 암모니아, 메탄 등의 얼음으로 이루어져 있다. 

태양계에는 왜행성이라는 작은 천체들도 존재하는데, 이들은 자체 중력으로 구형을 유지할 정도로 크지만, 행성만큼의 지배력을 갖지 않는다. 대표적인 왜행성으로는 세레스, 명왕성, 하우메아, 마케마케, 에리스 등이 있다. 이 외에도 오르트 구름이라는 장주기 혜성의 고향이 태양계의 외곽에 존재하며, 이는 태양계의 천체들이 분포된 구역의 약 천 배 거리에 걸쳐 있다.

태양계에는 혜성, 센타우루스족, 우주 먼지와 같은 소천체들이 다양한 구역을 자유롭게 떠다닌다. 태양으로부터 방출되는 태양풍은 태양권 내에서 항성풍 거품을 형성한다.

태양계의 주요 행성 중 여섯 개(지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성)는 위성을 가지고 있으며, 목성형 행성들은 고유의 행성 고리를 지닌다.


태양계의 발견과 탐험

오랜 시간 동안 인류는 태양계의 존재를 인식하지 못했으며, 지구가 우주의 중심에 고정되어 있고, 하늘에서 움직이는 다른 천체들과는 완전히 다른 존재라고 믿었다. 몇몇 예외로는 인도의 수학자 겸 천문학자 아리아바타와 고대 그리스 철학자 사모스의 아리스타르코스가 태양 중심의 우주론을 제시하기도 했으나, 태양중심설을 수학적으로 정립한 최초의 인물은 니콜라우스 코페르니쿠스였다. 

17세기에 들어서 그의 이론은 요하네스 케플러, 갈릴레오 갈릴레이, 아이작 뉴턴에 의해 발전되었고, 이들은 물리학적 원리를 통해 지구가 태양 주위를 공전하며, 행성들이 지구에 작용하는 중력과 같은 힘에 의해 제어된다는 사실을 받아들였다. 

근대에 이르러 망원경 기술이 발전하고 무인 우주선이 도입되면서, 다른 행성들의 지질학적 현상(산맥, 크레이터 등)과 기상학적 현상(구름, 모래폭풍, 만년설 등)에 대한 심층적인 조사가 가능해졌다.

태양계의 구성

태양계의 주요 구성 요소 중 하나인 태양은 G형 주계열성으로, 태양계 전체 질량의 99.86%를 차지하며, 중력을 통해 태양계의 천체들을 지배한다 . 태양을 공전하는 두 개의 거대 가스 행성(목성과 토성)과 두 개의 거대 얼음 행성(천왕성과 해왕성)은 태양을 제외한 나머지 태양계 질량의 99%를 차지하고 있으며, 그중 90%는 목성과 토성이 차지한다【주1†source】.

태양계는 태양, 태양을 공전하는 행성, 그 행성을 공전하는 위성, 그리고 왜소행성(dwarf planet), 소행성, 혜성, 카이퍼 대 천체와 같은 소천체(small Solar System bodies, SSSB), 그리고 행성간 먼지(interplanetary dust)로 구성되어 있다.

태양 주위를 공전하는 대부분의 큰 천체들은 지구의 궤도(황도)에 거의 평행한 궤도를 그리며 움직인다. 행성들의 궤도는 황도와 가깝지만, 혜성이나 카이퍼 대 천체의 궤도는 더 큰 각도를 형성하는 경우가 많다  . 대부분의 천체는 태양의 자전 방향과 동일하게, 태양 북극에서 보았을 때 시계 반대 방향으로 공전하지만, 핼리 혜성처럼 예외도 존재한다.

태양을 공전하는 천체들의 궤도는 케플러의 행성운동법칙으로 설명할 수 있다. 이 법칙에 따르면, 모든 천체는 태양을 한 초점으로 하는 타원 궤도를 따라 움직인다. 태양에 가까운 천체일수록 공전 주기가 짧으며, 태양에서 가장 가까운 점을 근일점, 가장 먼 점을 원일점이라고 부른다. 천체는 근일점에서 빠르게 움직이고 원일점에서 느리게 움직인다. 행성들의 궤도는 비교적 원형에 가깝지만, 혜성이나 카이퍼 대 천체의 궤도는 더 길쭉한 타원형이다. 특히 세드나는 매우 찌그러진 타원 궤도를 가진다.

많은 태양계 모형에서는 행성 간의 거리를 시각적으로 왜곡해 표현하지만, 실제로 태양에서 멀어질수록 행성 간의 거리는 더 크게 벌어진다. 예를 들어, 금성은 수성보다 약 0.33 천문단위(AU) 더 바깥에 위치하지만, 토성은 목성보다 4.3 AU 더 멀리 있고, 해왕성은 천왕성보다 10.5 AU 더 멀리 위치해 있다. 궤도 간 거리의 규칙성을 설명하려는 시도(티티우스-보데의 법칙)도 있었으나, 이를 뒷받침하는 확립된 이론은 아직 없다 .

태양계의 대부분의 행성은 자신의 위성 체계를 가지고 있다. 위성은 행성 주위를 공전하는 천체로, 일부는 매우 커서 행성보다 큰 위성도 있다. 예를 들어, 목성의 위성인 가니메데는 그 크기가 행성을 능가한다. 대형 위성들은 대부분 조석 고정 상태로, 모행성을 향해 영구히 한쪽 면만을 보여준다. 또한, 목성형 행성들은 작은 입자로 이루어진 행성 고리를 가지고 있으며, 이 고리들은 각 행성의 주위를 공전한다.

태양계 용어

비공식적으로 태양계는 여러 부분으로 나뉘며, 내행성 영역에는 네 개의 암석 행성(수성, 금성, 지구, 화성)과 소행성대가 포함된다. 소행성대 너머에는 네 개의 가스 행성(목성, 토성, 천왕성, 해왕성)이 위치하는 외행성 영역이 존재한다. 카이퍼 대의 발견으로 인해 태양계의 범위는 해왕성 너머의 천체까지 확장되었다 .

물리적 및 동역학적 관점에서 태양 주위를 도는 천체는 행성, 왜행성, 그리고 태양계 소천체(small Solar System bodies) 세 종류로 분류된다. 행성은 구형을 유지할 만큼 충분한 질량을 가지고 있으며, 공전 궤도에서 자신보다 작은 모든 천체를 흡수한 천체를 말한다. 이 기준에 따르면 태양계의 행성은 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성의 8개다. 반면, 명왕성은 궤도 근처에 있는 카이퍼 대 물질을 흡수하지 못했기 때문에 행성으로 분류되지 않는다.

왜행성은 행성과 마찬가지로 태양을 공전하고 구형을 이루지만, 궤도 근처의 작은 천체들을 흡수하지 못한 천체다. 태양계에서 왜행성으로 분류되는 천체로는 세레스, 명왕성, 하우메아, 마케마케, 에리스의 5개가 있다. 그 외에도 세드나, 오르쿠스, 콰오아 등은 미래에 왜행성으로 분류될 가능성이 있다. 해왕성의 궤도를 횡단하는 왜행성은 명왕성형 천체 또는 플루토이드라고 불린다. 나머지 천체들은 모두 태양계 소천체로 분류된다.

비공식적으로 태양계는 내행성계, 소행성대, 가스 행성, 카이퍼 대로 나눌 수 있다. 행성의 크기와 궤도는 종종 실제 비율과 다르게 표현되며, 시각적 편의를 위해 왜곡된다.

행성과학자들은 태양계 내 물질을 가스, 얼음, 암석 등의 용어로 분류한다. 암석은 높은 녹는점을 지닌 혼합물로, 주로 규소, 철, 니켈을 포함하며, 내행성 지대와 소행성의 주요 구성 요소다. 가스는 분자 수소, 헬륨, 네온처럼 매우 낮은 녹는점을 지닌 물질로, 주로 목성, 토성 같은 행성의 대부분을 구성한다. 얼음은 물, 메탄, 암모니아, 이산화탄소 등으로, 온도와 압력에 따라 상태를 달리한다. 얼음 물질은 주로 가스 행성의 위성, 천왕성과 해왕성의 내부, 그리고 카이퍼 대 천체에서 발견된다. 가스와 얼음은 종종 휘발성 물질로도 불린다.

태양

태양은 태양계의 중심에서 중력으로 모든 천체를 지배하며, 인류가 그 표면을 직접 관찰할 수 있는 유일한 항성이다. 항성은 스스로 빛을 내는 천체로, 태양은 지구 질량의 33만 2,900배에 달하는 막대한 질량을 가지고 있다. 이러한 질량 덕분에 태양 내부에서는 핵융합 반응이 일어날 수 있는 충분한 밀도가 형성되며, 그 결과 태양은 막대한 에너지를 전자기 복사 형태로 우주에 방출한다. 이 전자기 복사의 일부는 우리가 가시광선이라고 부르는 400~700 나노미터 대역에 속하며, 인간의 눈으로 볼 수 있다.

태양의 표면 온도는 약 5,800 켈빈이며, 분광형상 G2 V에 속하는 황색 왜성이다. 하지만 태양은 왜성이라고 부를 만큼 작지 않으며, 은하에서 비교적 무겁고 밝은 항성에 속한다. 색등급도에서는 태양이 주계열 띠에 위치하며, 이는 태양이 아직 핵융합을 통해 에너지를 방출하는 생애 중반에 있다는 것을 의미한다. 태양은 시간이 지남에 따라 천천히 밝아지고 있으며, 처음 형성되었을 때의 밝기는 현재의 약 70% 수준이었다.

태양은 종족 I 항성에 속하며, 우주 진화의 후기에 태어난 항성이다. 따라서 수소와 헬륨보다 무거운 금속 원소가 풍부하게 포함되어 있으며, 이는 행성계 형성과도 관련이 있다. 무거운 원소는 이전 세대의 항성 폭발에서 만들어져 우주에 흩어진 물질이기 때문에, 태양의 금속 함량은 그 주위에 행성들이 형성될 수 있었음을 시사한다.

과학자들은 태양의 수명을 약 110억 년으로 추정하며, 현재 태양의 나이는 약 46억 년이다. 약 50억 년 후에는 태양이 적색거성으로 변하면서 에너지를 대부분 잃게 될 것으로 예상된다. 그러나 그 전에 태양의 밝기는 약 10억 년마다 10%씩 증가하고 있으며, 이로 인해 지구의 생태계는 약 10억 년 후에는 생명 유지가 어려워질 것으로 예측된다.

태양은 태양풍이라는 대전된 입자(플라스마)를 지속적으로 방출하며, 이 입자는 시속 150만 킬로미터의 속도로 퍼져나가 태양권을 형성한다. 태양권의 영향은 최소 100 AU까지 미치며, 그 안에는 행성간 매질이 존재한다. 태양의 플레어나 코로나 질량 방출과 같은 현상은 태양권을 교란시키며 우주 기후에 영향을 미친다. 태양권 내에서 가장 큰 구조물은 태양의 회전 자기장에 의해 형성된 나선형의 태양권 전류편이다.

지구의 자기장은 태양풍이 지구의 대기를 벗겨내는 것을 방지한다. 반면, 금성과 화성은 자기장이 없기 때문에 태양풍에 의해 대기가 점차 우주로 사라지고 있다. 태양풍과 지구 자기장의 상호작용은 오로라를 형성하며, 이는 자기극 근처에서 대전된 입자가 지구의 대기와 상호작용할 때 발생한다.

태양계 외부에서 기원한 우주선은 태양권에 의해 부분적으로 보호받고 있으며, 행성의 자기장도 행성을 어느 정도 보호한다. 태양계 내의 우주 방사선 수준은 성간물질과 태양 자기장의 변화에 따라 달라지지만, 그 변동 폭은 아직 정확히 알 수 없다.