밤하늘과 우주 이야기 -3장-
태양계에 있는 우리들의 이웃 행성
태양에서 가장 가까운 행성은 수성이다. 수성은 내행성으로서 지구 안쪽에서 태양의 궤도를 공전하고 있다. 수성은 태양이 떠오르기 전, 태양이 진후 초저녁에 최대 두시간 관측 가능하다. 내행성이 멀어진 각도를 최대 이각이라 한다. 수성의 최대 이각은 18도에서 28도이다. 수성이 태양 주위를 도는 데 116일이 걸린다. 태양계에서 가장 작은 행성이고 지구의 약 0.4배이다. 밀도는 지구와 비슷하다. 1960년 대 마리너 10호가 처음으로 수성 가까이 갔다. 수성의 표면은 달과 똑같은 크레이터로 뒤덮여 있었다. 수성의 하루는 약 58일이다. 1년은 88일이다. 수성에 있으면 29일 마다 낮과 밤이 바뀌는 현상을 볼 수 있다. 태양에 너무 가깝기 때문에 일교차가 매우 크다. 낮은 500도 밤은 영하 200도이다. 수성은 크기가 작아 중력도 작기에 행성의 대기 또한 작다.
케플러는 각행성의 공전 주기와 태양으로부터의 거리를 통해 새로운 공식을 발견해낸다. 각 행성의 공전주기의 제곱은 태양으로부터 거리의 3제곱과 같다. 각 행성의 공전 주기의 단위는 1년으로 설정하고 태양으로부터 거리의 단위는 1AU로 설정한다. 케플러가 발견한 공식을 활용하면 P(각 행성의 공전주기)2= a(태양으로부터 거리)3/, p2=a3 이라는 공식이 성립한다.
금성은 달을 제외하고 태양계에서 밝은 행성이다. 금성의 주기는 584일이다. 금성은 공전하고 있는 현재 위치에 따라 세벽에만 혹은 초저녁에만 관측이 가능하다. 세벽에만 관측이 가능한 때는 263일, 초저녁에만 관측이 가능한 때는 263일이다. 금성의 크기와 밀도는 지구와 비슷하기에 한때 지구와 같이 생명체가 살 수 있는 행성이라 여겨졌지만 그것은 사실이 아니다. 1962년에 금성 탐사선이 금성을 관측한 결과 금성표면이 적어도 450도 이상의 엄청난 고열이라는 게 밝혀졌다. 금성의 표면은 태양계의 행성 중에서 제일 뜨겁다. 금성의 표면엔 물이 없고, 대기는 이산화탄소로 구성되어 있다. 금성의 대기는 태양의 빛 에너지를 가두어서 표면은 엄청나게 뜨겁다. 대기 밀도도 엄청나게 높아 표면에서 측정된 기압은 90기압에 달한다.
이제 외행성을 살펴보겠다. 첫 번째로 알아볼 행성은 바로 화성이다. 화성의 크기는 지구의 절반이다. 밀도는 지구의 3분의 2이다. 질량은 지구의 10%에 불과하다. 화성의 표면이 붉은 이유는 표면에 분포된 산화 철 때문이다. 화성은 지구보다 1.5배 정도 거리에서 태양을 공전한다. 따라서 지구보다 더 온도가 낮다. 평균 온도가 영하 60도 정도된다. 큐레이터에 의해 물이 발견되었고 지구를 제외하고 생명체가 존재할 가능성이 가장 큰 행성이다.
목성은 태양계에서 가장 흥미로운 행성이다. 목성은 대기와 표면의 경계가 명확하지 않으며, 대기권 안에 정확히 무엇이 있는지 아직 밝혀지지 않았다. 갈릴레오 탐사선에서 떨어져 나온 탐사체가 목성의 대기로 뛰어들었지만 중간에 파괴가 되어 그 안에 무엇이 있는지 밝혀내진 못했다. 예측으로는 목성의 대기층 안엔 기체 상태의 수소 분자층이 있고 그 안엔 액체 상태의 수소 분자층이 있다. 그리고 그 안엔 어마어마한 양의 액체 금속성 수소가 있고 그 안을 들어가야 고체 상태의 중심부를 찾아볼 수 있다. 목성의 크기는 지구의 14배이다. 태양계 외곽은 거대행성의 영역인데, 이들은 대부분 가벼운 기체들로 이루어져 있다. 이러한 거대행성들도 Gas giants와 ice giants로 구분된다. Gas giants는 목성과 토성이고 이들은 기체 행성이다. 중심부 안엔 금속성 수소가 대기를 이룬다. ice giants는 물, 암모니아, 메탄으로 이루어져 있고 천황성과 해왕성이 여기에 속한다. 그렇다면 왜 이런 기체 행성이 만들어졌을까? 이는 태양계의 형성과정과 연관 지어 설명할 수 있다. 태양이 만들어지고 나서 나머지 물질들은 원반 형태로 회전하면서 합쳐지게 된다. 이때 태양에서 나온 태양풍에 의해 근처에 있던 가벼운 물질인 수소와 헬륨을 외곽으로 밀어내게 된다. 따라서 무거운 물질들은 태양계 가까운 곳에서 뭉쳐서 암석형 행성을 만들어낸다. 반면 태양풍이 영향을 미치지 않는 먼 거리에선 암석과 얼음같이 무거운 물질과 가벼운 기체들이 섞여서 원시행성을 만들었고 그 원시행성은 주위에 가벼운 기체들을 중력으로 붙잡아 두면서 점점 큰 행성이 되고 그 결과 지금과 같이 거대한 기체 행성이 되었다.
토성은 갈릴레이에 의해 처음으로 발견되었다. 토성은 거대한 고리를 갖고 있는 행성이다. 토성의 고리는 위치에 따라 다양한 모습으로 보인다. 토성의 고리는 지름이 1cm에서 10m까지인 얼음덩이들로 구성되어 있다. 목성도 토성만큼 뚜렷하진 않지만 얇은 고리가 있다. 천왕성과 해왕성도 고리를 갖고 있다. 행성의 고리가 만들어진 이유엔 다양한 가설이 있다. 그중 가장 설득력이 있는 가설은 고리들이 행성 주변을 도는 위성을 만들고 남은 부스러기 이거나, 이 고리들로 인해 위성들이 만들어졌다는 가설이다.
지구 근접 천체를 영어 약자로 NEO라고 한다. 이들은 지구와 태양 사이 거리의 0.9~1.3배 정도의 거리에서 태양을 공전하고 있다. 현재 크기가 1km 이상인 NEO가 870여개 발견되었고 그 중 150여 개는 지구와의 충돌 위협이 있는 것으로 알려졌다. 사실 이 천체들은 몇 번이나 지구에 찾아왔다. 대표적으로 공룡을 멸종 시킨 6천 5백만년 전 소행성이 그 예시이다. 지구와 충돌할 수 있는 NEO에 대비하기 위한 인간의 노력 역시 진행되고 있다. 2020년경에 설치 예정인 LSST 만원경을 통해 NEO를 찾는 프로젝트도 준비하고 있다.
2014년 인류는 혜성 67P에 착륙선 필레를 착륙 시킨 적이 있었다. 이 혜성은 주로 물, 얼음, 이산화탄소, 메탄 등이 섞인 더러운 눈 덩어리이다. 특히 혜성의 표면에는 복잡한 유기물이 뒤덮여 있었다. 혜성을 뒤덮고 있는 눈 덩어리는 지구 생명의 기원이 되는 물질로 추정된다.
우주에도 지구와 마찬가지로 날씨가 존재한다. 우주의 날씨를 결정하는 것은 태양에서 나오는 태양풍이다. 태양은 매초 100만톤의 입자들을 빠른 속도로 뿜어낸다. 이런 태양풍에도 불구하고 지구안에 있는 우리가 그것을 못 느끼는 이유는 지구 안에 있는 자기장이 태양풍을 막아내고 있기 때문이다. 가끔은 태양풍이 지구를 뚫고 들어올 때가 있다. 이땐 인공위성에게 직접적인 피해를 주고 통신장애를 일으키기도 한다. 따라서 태양풍을 예측하기 위한 인간의 노력 역시 계속되고 있다. SOHO위성과 PAKER태양 탐사선은 태양의 대기 코로나가 태양의 표면보다 더 뜨거운 이유와 태양풍의 원인을 찾기 위해 노력하고 있다.
1966년 아폴로 11호가 달의 표면을 밟은 이후 인류는 수성, 금성, 화성으로 탐사선을 보냈다. 이런 장거리의 탐사가 가능했던 이유는 바로 근접 통과 방식을 활용했기 때문이다. 근접통과 방식이란 탐사선이 가져갈 수 있는 연료의 한계를 극복하기 위해 행성의 중력을 이용해 추진력을 받아 다른 행성까지 이동하는 것이다. 또 보이저 호는 목성, 토성, 천왕성, 해왕성을 차례대로 발견하는데 성공한다. 이후에는 행성을 멀리서 탐사하는 것보단 행성에 진입하는 방법이 활용되었다. 카시니 호는 토성의 위성 타이탄에서 메탄과 에탄으로 이루어진 호수를 발견하였다. 최근엔 탐사체를 충돌시켜, 거기서 튀어나온 파편을 지구에서 관측해 성분을 분석하는 식으로 연구가 진행되고 있다. 앞으로는 태양계에 대한 유인탐사까지 기대해 볼 수 있다.
