태양계 - 거대 행성계(1)

  태양을 제외하면 태양계에서 가장 큰 천체는 목성으로 지구보다 317.83배 더 질량이 크다. 목성과 다른 세 개의 거대 행성인 토성, 천왕성, 해왕성을 합하면 태양계 행성 전체 질량의 99.5%를 차지한다. 그러므로 태양계의 형성과 진화를 이해하려면 이 거대 행성들을 공부할 필요가 있다.

 

• 갈릴레이 위성의 발견

  목성과 토성에 대한 육안 관측은 인류가 처음 하늘을 올려다보기 시작한 때부터 계속되어 왔다. 그러나 망원경을 통하여 행성을 관측하기 시작한 것은 1610년 갈릴레오가 처음이었다. 그는 망원경으로 목성을 관측하여 네 개의 위성을 발견하였으며 그 위성들은 그의 이름을 따서 모두 갈릴레이 위성이라 부른다. 갈릴레오는 토성의 고리도 관측하였으나 망원경의 해상도가 낮아서 두 개의 큰 위성이 서로 반대편에 있는 것으로 생각하였다.

 

• 천왕성과 해왕성의 발견

  천왕성을 처음 발견한 것은 1781년, 독일 출신의 음악가로 영국에 살고 있던 윌리엄 허셜이었다. 1845년 10월, 캠프릿지 대학원생이던 존 코치 아담스는 천왕성에 작용하는 중력 섭동의 영향을 받아 검토하여 천왕성보다 더 먼 곳에 행성이 있을 것이라고 제안하였다. 아담스는 보데의 규칙을 적용하여 이 미지의 행성과 태양 사이의 거리를 추정하였다. 불행하게도 아담스는 그의 논문을 당시 왕실 천문학자였던 조지 에어리 경에게 제출하였으나 에어리 경은 그의 결론을 인정하지 않았다. 1846년 6월, 유명한 프랑스 과학자 르베리에도 별도로 아담스와 같은 예측을 하였다. 그의 예측은 아담스가 예측했던 위치와 각도 1도 이내의 범위로 일치하는 것이었다. 이 두 예측이 일치하는 것을 보고 에어리 경은 그 천체를 찾기 시작하였다.  그러나 베를린 천문대의 요한 고트프리드 갈레가 1846년 9월 23일 해왕성을 발견하였다. 그날은 갈레가 르베리에로부터 자신도 이 새 행성을 찾아보겠다는 편지를 받은 다음 날이었다. 실질적으로 판단한다면 해왕성은 아담스와 르베리에가 수학적 계산으로 찾아낸 것이라 할 수 있으며 갈레는 단지 관측을 통해 확인한 것이었다.

 

• 거대 행성의 움직임

  거대 행성들이 발견된 이래 지구에서 망원경을 통한 관측으로 이 행성들과 위성들에 대하여 많은 중요한 정보를 알게 되었다. 그러나 현재 우리가 이용하고 있는 데이터는 대부분 우주 탐사선을 통하여 얻은 것이다. 첫 번째 우주 탐사선은 목성을 근접 비행으로 탐사한 파이오니어 10호(1973)와 11호(1974)였으며, 파이오니어 11호는 1979년에 토성도 근접 비행하였다. 그 후 보이저 1호와 2호가 "위대한 여행(Grand Tour)" 임무를 성공적으로 훌륭히 수행하였다. 보이저 1호와 2호는 1977년 발사되어 목성(1979)과 토성(1980, 1981)을 탐사하였으며, 보이저 2호는 계속 천왕성(1986)과 해왕성(1989)을 탐사하였다. 이 탐사는 모두 짧은 시간 동안 근접 비행한 것이었다. 현재 파이오니어와 보이저 우주 탐사선은 태양계를 벗어나고 있다. 보이저 우주선은 광대한 거리를 넘어 정보를 보내오고 있으며, 태양풍과 다른 별의 항성풍 사이의 상호 작용 등을 포함한 태양계 외부의 데이터를 제공하고 있다.

  허블 우주망원경(HST)도 지구 궤도에서 거대 행성들을 관측하였다. 1970년대와 1980년대 우주 탐사선의 근접 비행 이후에는 주로 허블 우주망원경을 이용하여 태양계 행성들을 관측하여 행성 표면의 변화를 감지하였다.

  1995년 갈릴레오 우주선(1989년 발사)이 목성의 궤도에 진입하여 목성계를 광범위하고 자세하게 탐사하기 시작하였다. 갈릴레오호는 8년 동안 목성 주위에 머물면서 목성 탐사뿐 아니라 여러 차례에 걸쳐 갈릴레이 위성들을 근접 비행하였다. 그 임무 중에는 낙하산을 장착한 탐사선을 목성 대기 속으로 진입시켜 대기의 성분과 그 물리적 상태를 탐사하는 것도 포함되어 있다.

  1997년 발사된 카시니-호이겐스 우주선은 2004년 7월 1일 토성계에 진입하였다. 이 두 탐사는 NASA가 제작한 궤도 탐사선으로, 이탈리아 우주국(ASI)이 제공한 고성능 안테나가 설치된 카시니호와 유럽우주국(ESA)이 제작한 호이겐스호에 의하여 수행되었다. 2006년 카시니호는 토성과 그 위성 및 고리들을 정밀하게 조사하였으며 호이겐스호는 2005년 1월 14일 토성의 최대 위성인 타이탄의 짙은 대기 속으로 낙하하였다. 갈릴레오 탐사선과 마찬가지로 호이겐스호도 낙하산을 장착하고 대기에 진입하여 대기의 성분, 풍속, 기압 구조, 그리고 위성 표면의 형태를 관측하였다. 고도 40km에서 낙하산을 떼어내고 표면으로 강하하였다. 강하 시간은 2시간 27분이었으며, 탐사선은 표면에 도착한 후에도 1시간 10분 동안 계속 동작하여 관측 임무를 수행하였다.

 

• 성분 및 구조

  전체적으로 거해 행성들은 지구형 행성과 상당한 차이가 있다. 그러나 거대 행성도 크게 분류할 수 있다. 거대한 가스 행성인 목성과 토성은 평균 조성이 태양과 매우 비슷하며, 거리가 더 멀고 작은 얼음 행성인 천왕성과 해왕성은 무거운 원소의 비율이 비교적 높다. 거대 행성들은 가벼운 원소를 대기 중에 잡아둘 수 있으므로 이와 같은 조성 성분의 차이는 그들의 형성 과정에 상당한 차이가 이었음을 시사하고 있다.

  이러한 결론은 각 행성의 대기 상층부의 성분을 직접 관측하여 뒷받침하고 있다. 목성의 수소 농도는 태양보다 다소 높으나 헬륨의 비율은 약간 더 낮다. 토성의 대기 상부에는 헬륨 농도가 상당히 낮으나 다른 성분의 비율은 목성과 비슷하다. 또한 천왕성과 해왕성의 관측 결과에 의하면 수소와 헬륨의 농도는 태양과 목성의 중간이지만 메탄의 농도는 태양계에 비하여 10배 이상 더 높다. 이러한 연구 결과도 이들 행성의 내부에 차이가 있을 수 있다는 것을 보여주지만, 다른 관측 데이터와 이론적인 연구도 이들 행성 내부에 대하여 더 많은 정보를 제공하고 있다.

  목성과 토성에는 수소와 헬륨이 주성분이며 천왕성과 해왕성의 내부에서는 얼음이 내부 구조 결정에 지배적인 역할을 하고 있는 것으로 보인다. 목성은 토성보다 3배 이상 더 무겁지만 크기는 약간 더 크다는 점을 주의할 필요가 있다. 이것은 질량 증가에 따라 내부 압력이 증가하고, 이로 인해 원자과 분자의 상태가 달라지기 때문이다.

 

• 행성의 핵

  이상의 모든 자료에 의하면 목성과 토성의 핵들은 걸죽한 액체 상태의 암석(Mg, Si, Fe)과 얼음으로 구성되어 있다. 그러나 료가 보여주는 것과 달리 핵의 질량은 비교적 낮은 것으로 추정된다. 가용 자료와 수치 모델을 통해 목성의 핵은 암석/얼음으로 구성되고 그 질량은 지구 질량의 10배, 토성 핵의 질량은 대략 지구 질량의 15배로 추측된다. 여기서 오차 범위는 50% 정도이다(목성의 핵이 작은 것은 핵의 일부분이 그 동안 침식되었기 때문일 수도 있다). 목성과 토성의 핵이 지구의 질량과 비교하여 씬 더 크지만 그 행성의 총질량에 대한 비율은 매우 작다. 목성과 토성의 핵질량이 각각 지구 질량의 10배와 15배라면 전체 질량에 대한 비율은 각각 3% 및 16%에 불과하다. 나머지 질량의 대부분은 수소와 헬륨이 차지하고 있다.

  천왕성과 해왕성에 대한 연구에서도 그 핵의 질량은 목성과 토성의 경우와 비슷하며 지구 질량의 약 13배 정도이다. 그러나 천왕성과 해왕성의 경우에는 핵의 질량이 행성 전체의 질량에서 대부분을 차지하고 있다. 특히 천왕성과 해왕성은 그 질량의 25%가 암석, 60%에서 70%가 얼음이며 나머지 5%에서 15%만 수소 또는 헬륨 가스이다. 따라서 천왕성과 해왕성은 목성과 토성의 단순한 축 태양을 제외하면 태양계에서 가장 큰 천체는 목성으로 지구보다 317.83배 더 질량이 크다. 목성과 다른 세 개의 거대 행성인 토성, 천왕성, 해왕성을 합하면 태양계 행성 전체 질량의 99.5%를 차지한다. 그러므로 태양계의 형성과 진화를 이해하려면 이 거대 행성들을 공부할 필요가 있다.

 

 

 

갈릴레이 위성의 발견

  목성과 토성에 대한 육안 관측은 인류가 처음 하늘을 올려다보기 시작한 때부터 계속되어 왔다. 그러나 망원경을 통하여 행성을 관측하기 시작한 것은 1610년 갈릴레오가 처음이었다. 그는 망원경으로 목성을 관측하여 네 개의 위성을 발견하였으며 그 위성들은 그의 이름을 따서 모두 갈릴레이 위성이라 부른다. 갈릴레오는 토성의 고리도 관측하였으나 망원경의 해상도가 낮아서 두 개의 큰 위성이 서로 반대편에 있는 것으로 생각하였다.

 

 

 

천왕성과 해왕성의 발견

  천왕성을 처음 발견한 것은 1781년, 독일 출신의 음악가로 영국에 살고 있던 윌리엄 허셜이었다. 1845년 10월, 캠프릿지 대학원생이던 존 코치 아담스는 천왕성에 작용하는 중력 섭동의 영향을 받아 검토하여 천왕성보다 더 먼 곳에 행성이 있을 것이라고 제안하였다. 아담스는 보데의 규칙을 적용하여 이 미지의 행성과 태양 사이의 거리를 추정하였다. 불행하게도 아담스는 그의 논문을 당시 왕실천문학자였던 조지 에어리 경에게 제출하였으나 에어리 경은 그의 결론을 인정하지 않았다. 1846년 6월, 유명한 프랑스 과학자 르베리에도 별도로 아담스와 같은 예측을 하였다. 그의 예측은 아담스가 예측했던 위치와 각도 1도 이내의 범위로 일치하는 것이었다. 이 두 예측이 일치하는 것을 보고 에어리 경은 그 천체를 찾기 시작하였다. 그러나 베를린 천문대의 요한 고트프리드 갈레가 1846년 9월 23일 해왕성을 발견하였다. 그 날은 갈레가 르베리에로부터 자신도 이 새 행성을 찾아보겠다는 편지를 받은 다음 날이었다. 실질적으로 판단한다면 해왕성은 아담스와 르베리에가 수학적 계산으로 찾아낸 것이라 할 수 있으며 갈레는 단지 관측을 통해 확인한 것이었다.

 

 

 

거대 행성의 움직임

  거대 행성들이 발견된 이래 지구에서 망원경을 통한 관측으로 이 행성들과 위성들에 대하여 많은 중요한 정보를 알게 되었다. 그러나 현재 우리가 이용하고 있는 데이터는 대부분 우주 탐사선을 통하여 얻은 것이다. 첫 번째 우주 탐사선은 목성을 근접 비행으로 탐사한 파이오니어 10호(1973)와 11호(1974)였으며, 파이오니어 11호는 1979년에 토성도 근접 비행하였다. 그 후 보이저 1호와 2호가 "위대한 여행(Grand Tour)" 임무를 성공적으로 훌륭히 수행하였다. 보이저 1호와 2호는 1977년 발사되어 목성(1979)과 토성(1980, 1981)을 탐사하였으며, 보이저 2호는 계속 천왕성(1986)과 해왕성(1989)을 탐사하였다. 이 탐사는 모두 짧은 시간 동안 근접 비행한 것이었다. 현재 파이오니어와 보이저 우주 탐사선은 태양계를 벗어나고 있다. 보이저 우주선은 광대한 거리를 넘어 정보를 보내오고 있으며, 태양풍과 다른 별의 항성풍 사이이의 상호 작용 등을 포함한 태양계 외부의 데이터를 제공하고 있다.

 

  허블 우주망원경(HST)도 지구 궤도에서 거대 행성들을 관측하였다. 1970년대와 1980년대 우주 탐사선의 근접 비행이후에는 주로 허블 우주망원경을 이용하여 태양계 행성들을 관측하여 행성 표면의 변화를 감지하였다.

 

  1995년 갈릴레오 우주선(1989년 발사)이 목성의 궤도에 진입하여 목성계를 광범위하고 자세하게 탐사하기 시작하였다. 갈릴레오호는 8년 동안 목성 주위에 머물면서 목성 탐사뿐 아니라 여러 차례에 걸쳐 갈릴레이 위성들을 근접 비행하였다. 그 임무 중에는 낙하산을 장착한 탐사선을 목성 대기 속으로 진입시켜 대기의 성분과 그 물리적 상태를 탐사하는 것도 포함되어 있다.

 

  1997년 발사된 카시니-호이겐스 우주선은 2004년 7월 1일 토성계에 진입하였다. 이 두 탐사는 NASA가 제작한 궤도 탐사선으로, 이탈리아 우주국(ASI)이 제공한 고성능 안테나가 설치된 카시니호와 유럽우주국(ESA)이 제작한 호이겐스호에 의하여 수행되었다. 2006년 카시니호는 토성과 그 위성 및 고리들을 정밀하게 조사하였으며 호이겐스호는 2005년 1월 14일 토성의 최대 위성인 타이탄의 짙은 대기 속으로 낙하하였다. 갈릴레오 탐사선과 마찬가지로 호이겐스호도 낙하산을 장착하고 대기에 진입하여 대기의 성분, 풍속, 기압 구조, 그리고 위성 표면의 형태를 관측하였다. 고도 40km에서 낙하산을 떼어내고 표면으로 강하하였다. 강하 시간은 2시간 27분이었으며, 탐사선은 표면에 도착한 후에도 1시간 10분 동안 계속 동작하여 관측임무를 수행하였다.

 

 

 

성분 및 구조

  전체적으로 거해 행성들은 지구형 행성과 상당한 차이가 있다. 그러나 거대 행성도 크게 분류할 수 있다. 거대한 가스 행성인 목성과 토성은 평균 조성이 태양과 매우 비슷하며, 거리가 더 멀고 작은 얼음 행성인 천왕성과 해왕성은 무거운 원소의 비율이 비교적 높다. 거대 행성들은 가벼운 원소를 대기 중에 잡아둘 수 있으므로 이와 같은 조성 성분의 차이는 그들의 형성 과정에 상당한 차이가 이었음을 시사하고 있다.

 

  이러한 결론은 각 행성의 대기 상층부의 성분을 직접 관측하여 뒷받침하고 있다. 목성의 수소 농도는 태양보다 다소 높으나 헬륨의 비율은 약간 더 낮다. 토성의 대기 상부에는 헬륨 농도가 상당히 낮으나 다른 성분의 비율은 목성과 비슷하다. 또한 천왕성과 해왕성의 관측 결과에 의하면 수소와 헬륨의 농도는 태양과 목성의 중간이지만 메탄의 농도는 태양계에 비하여 10배 이상 더 높다. 이러한 연구 결과도 이들 행성의 내부에 차이가 있을 수 있다는 것을 보여주지만, 다른 관측 데이터와 이론적인 연구도 이들 행성 내부에 대하여 더 많은 정보를 제공하고 있다.

 

  목성과 토성에는 수소와 헬륨이 주성분이며 천왕성과 해왕성의 내부에서는 얼음이 내부 구조 결정에 지배적인 역할을 하고 있는 것으로 보인다. 목성은 토성보다 3배 이상 더 무겁지만 크기는 약간 더 크다는 점을 주의할 필요가 있다. 이것은 질량 증가에 따라 내부 압력이 증가하고, 이로 인해 원자과 분자의 상태가 달라지기 때문이다.

 

 

 

행성의 핵

  이상의 모든 자료에 의하면 목성과 토성의 핵들은 걸쭉한 액체 상태의 암석(Mg, Si, Fe)과 얼음으로 구성되어 있다. 그러나 지료가 보여주는 것과 달리 핵의 질량은 비교적 낮은 것으로 추정된다. 가용 자료와 수치 모델을 통해 목성의 핵은 암석/얼음으로 구성되고 그 질량은 지구 질량의 10배, 토성 핵의 질량은 대략 지구 질량의 15배로 추측된다. 여기서 오차 범위는 50% 정도이다(목성의 핵이 작은 것은 핵의 일부분이 그 동안 침식되었기 때문일 수도 있다). 목성과 토성의 핵이 지구의 질량과 비교하여 훠씬 더 크지만 그 행성의 총 질량에 대한 비율은 매우 작다. 목성과 토성의 핵 질량이 각각 지구 질량의 10배와 15배라면 전체 질량에 대한 비율은 각각 3% 및 16%에 불과하다. 나머지 질량의 대부분은 수소와 헬륨이 차지하고 있다.

 

  천왕성과 해왕성에 대한 연구에서도 그 핵의 질량은 목성과 토성의 경우와 비슷하며 지구 질량의 약 13배 정도이다. 그러나 천왕성과 해왕성의 경우에는 핵의 질량이 행성 전체의 질량에서 대부분을 차지하고 있다. 특히 천왕성과 해왕성은 그 질량의 25%가 암석, 60%에서 70%가 얼음이며 나머지 5%에서 15%만 수소 또는 헬륨 가스이다. 따라서 천왕성과 해왕성은 목성과 토성의 단순한 축소판이 아니며, 가스 거대 행성이 아니라 얼음 거대 행성으로 간주되고 있다.