태양은 태양계 질량의 99％ 이상을 차지하고 있으며 태양 이외의 천체는 크게 2가지로 분류된다. 즉 8개의 행성과 그중 7개에 속해 있는 약 160개의 위성, 수많은 소행성, 혜성, 유성과 운석, 그리고 옅은 구름을 이루고 있는 행성간 물질 등이다. 오랜 시간에 걸쳐 큰 망원경으로 관측하면 더욱 많은 소행성과 위성을 발견할 수 있을 것이다. 새로운 혜성은 평균 1년에 6개 정도가 발견되고 있다. 그러나 16등급보다 어두운 미지의 행성이 먼 곳에 존재할지도 모른다.
태양계에는 총 9개의 행성이 있었다. 그러나 2006년 태양계의 맨 바깥쪽에 있던 명왕성이 행성에서 제외되고 왜소 행성(dwarf planet)으로 분류되면서 행성의 수는 8개가 되었다.
태양은 지구에서 그 표면을 관측할 수 있을 정도로 가까이 있는 단 하나의 항성이다. 표준이 되는 별보다 태양이 약간 밝고, 조금 크고 무거우며, 밀도는 약간 낮은 편이다. 지름은 지구의 109배이고 무게는 지구의 33만 3,000배이다. 태양의 표면온도는 약 5,800K이며 중심온도는 약 1,500만K이라고 생각된다. 태양 중심 부근에 있는 물질의 밀도는 물의 약 100배이지만 전체가 기체로 되어 있다. 태양은 1초에 9×1025㎈의 에너지를 복사한다(→ 태양 에너지). 이 에너지는 수소가 헬륨으로 변하는 열핵반응과정에서 생긴다. 태양은 이 과정을 통해 1초에 약 400만t의 질량을 잃고 있지만 현재의 비율로 연소해도 앞으로 수십억 년 동안 계속 빛을 복사할 것으로 생각된다.
지구에서 보이는 태양의 밝은 표면을 광구(光球)라고 부르며 광구 위에는 채층(彩層)이라는 영역이 있다. 개기일식이 일어날 때 달에 의해 광구의 빛이 완전히 가려지면 태양 주위에 붉은 고리 모양의 채층이 보인다. 때때로 태양 주위에서 진한 붉은색 구름처럼 보이는 홍염도 볼 수 있다. 개기일식이 일어날 때 가장 찬란한 광경은 태양 주위에서 빛나는 진주색과 흰색의 불꽃인 코로나이다. 태양휘선 스펙트럼을 분석한 결과 코로나의 온도는 약 100만K이다. 특별한 장치를 이용하면 개기일식이 아닐 때에도 홍염과 채층 및 코로나를 관측할 수 있다. 작은 망원경으로도 태양표면에서 쉽게 눈에 띄는 것은 흑점군이다. 그 크기는 지름이 수백㎞의 작은 것에서부터 지구의 적도단면적의 30배 되는 것도 있다. 흑점의 온도는 약 4,500K이지만 주위에 있는 광구의 온도보다 낮기 때문에 어둡게 보인다. 흑점군의 수는 평균 11년을 주기로 증가하거나 감소한다.
행성들을 태양에 가까운 순서로 나열하면 수성·금성·지구·화성·목성·토성·천왕성·해왕성이다. 이전에는 명왕성도 행성으로 분류되었으나 2006년 왜소 행성(dwarf planet)으로 분류되면서 행성에서 제외되었다. 이들은 다시 지구형 행성인 수성·금성·지구·화성과 목성형 행성인 목성·토성·천왕성·해왕성으로 나눌 수 있다. 지구형 행성은 대체로 지구와 비슷한 크기와 질량을 가지며 밀도가 높다. 목성형 행성은 질량이 지구질량의 15~318배이지만 밀도는 지구형행성의 약 20％이다. 지구형 행성의 밀도가 높은 이유는 수소와 헬륨 이외의 원소를 많이 포함하기 때문이다. 목성형 행성은 대부분 수소나 헬륨 등 가벼운 원소로 되어 있다고 생각되며, 행성 내부의 깊은 곳은 금속상태의 고체로 되어 있는 것 같다.
1801년에 최초의 소행성이 발견된 뒤 약 3,000개의 소행성궤도가 계산되었다. 이들의 지름은 1~800㎞ 이하이다. 소행성들의 질량을 모두 합해도 지구질량의 1/3,000 정도이다. 대부분의 소행성은 화성궤도와 목성궤도 사이에서 공전하고 있다. 그러나 약간의 예외적인 것이 있어서, 이카루스와 같이 수성에서 화성 부근까지 이어지는 궤도를 갖고 있는 것과 히달고와 같이 화성에서 토성까지 이어져 있는 것 등도 있다. 예외적인 소행성 가운데에는 헤르메스와 이카루스처럼 지구에 100만㎞ 정도까지 근접하는 것도 있다.
위성은 행성 주위를 공전하고 있는 천체이다. 이들을 행성과 구별하는 기준은 물리적 특성보다는 운동의 형태이다. 수성·금성은 위성이 없으며 지구는 1개, 화성은 2개, 목성은 16개, 토성은 23개, 천왕성은 5개, 해왕성은 3개의 위성을 거느리고 있다. 화성의 위성과 목성·토성의 작은 위성 가운데에는 지름이 수㎞밖에 안 되는 것도 있지만, 지구의 달, 목성의 이오·유로파·가니메데·칼리스토, 토성의 타이탄, 해왕성의 트리톤 등은 반지름이 1,600~2,600㎞에 이른다.
혜성은 매우 크지만 가벼운 천체로서, 빛나는 긴 꼬리를 가지고 하늘을 불규칙적으로 횡단하는 별처럼 보인다. 그러나 망원경을 사용하지 않고 육안으로 보일 정도로 밝은 혜성은 극히 드물고 행성처럼 중력의 법칙에 따르는 규칙적인 운동을 한다. 혜성은 매우 길게 늘어진 궤도를 따라 공전한다. 혜성의 궤도 중에는 황도면에 대한 경사도가 상당히 큰 것도 많다. 100년 이하의 짧은 주기를 갖는 혜성은 중간 정도의 궤도경사각을 갖는다. 핼리 혜성은 역방향으로 움직이는 유일한 주기혜성이다. 원에 가까운 궤도를 그리는 혜성은 매우 드물다.
유성, 즉 별똥별은 밤하늘에 때때로 반짝이며 날아가는 빛과 그 빛을 내는 물체 모두를 일컫는다. 유성의 크기는 모래입자나 콩보다 더 크지는 않을 것이다. 그 빛은 유성의 원자와 공기 중의 분자가 충돌해서 생긴다. 이것은 지상 100㎞ 정도의 대기 중에서 사라진다. 질량이 수십g에서 수t인 천체가 대기를 통과하여 지면에 도달한 것을 운석이라고 한다. 지구가 태양 주위의 궤도를 따라 움직이고 있는 유성군을 만나면 유성우가 생기는데 이때는 시간당 수십 개 이상의 유성이 나타난다. 그러나 실제로 비처럼 쏟아지는 유성우는 매우 드물다. 유성군의 궤도요소는 특정한 혜성과 매우 비슷하기 때문에 이 두 천체가 서로 연관되어 있음이 틀림없다. 유성우를 만드는 유성물질은 혜성의 파편에서 생기는 것이다.
행성간 물질에 의한 현상
태양계/명왕성(가운데)과 카론 위성(왼쪽 아래) ...
맑은 날 해가 진 뒤 서쪽 지평선이나 일출 전의 동쪽 지평선을 보면 황도를 따라 위로 퍼진 기둥모양의 빛이 보이는 경우가 있는데 이것이 황도광이다. 이 빛은 태양을 중심으로 지구의 궤도면이나 황도면에 퍼져 있는 먼지의 집단에 의해 태양광이 산란된 것이다. 먼지의 전체 질량은 매우 작기 때문에 내행성의 운동에 영향을 미치지 않는다. 행성간물질 때문에 생기는 다른 현상으로 대일조(對日照)가 있는데, 태양방향에서 보면 때때로 지구의 뒤쪽 밤하늘에 나타난다. 이 희미한 빛은 지구의 뒤쪽에 남아 있는 행성간 먼지가 빛을 반사한 것이다.
태양계의 규칙성
화성/바이킹호가 찍은 루나 풀라눔의 ...
태양계의 8개 행성은 태양 주위를 서쪽에서 동쪽으로, 원에서 약간 벗어난 타원을 그리며 공전하고 있다. 이 궤도들은 기준이 되는 지구의 궤도면과 거의 일치한다. 8개의 행성들이 태양을 중심으로 공전하며 대부분 같은 방향으로 자전하고 있는 것처럼 위성들도 대부분 서쪽에서 동쪽으로 자전과 공전을 한다. 예외적으로 목성과 토성의 바깥쪽 위성 1개와 해왕성의 위성 트리톤은 역방향으로 돌고 있다. 목성과 토성의 바깥쪽 위성은 원래 소행성이었던 것이 포획되었을 가능성이 있지만, 트리톤은 이런 과정으로도 설명할 수 없다. 이러한 사실은 자전주기가 매우 긴 것과 어떤 관계가 있을지도 모른다. 금성의 경우 자전방향이 공전방향과 반대이며, 이것은 자전주기가 상당히 긴 것과 관계가 있는 것 같다. 이미 알려진 소행성들은 모두 태양 주위를 행성들과 거의 같은 평면 위를 같은 방향으로 움직이고 있다. 대부분의 소행성은 원에 가까운 궤도를 따라서 운동하지만 혜성처럼 길게 늘어진 궤도나 원에 가까운 궤도를 그리는 예외적인 소행성들도 있다.
태양계 생성론
태양계/해왕성의 고리들 : 행성에 ...
행성과 소행성의 규칙적인 배치와 운동이 우연히 이루어졌다고는 생각되지 않는다. 또 하나의 중요한 사실은 태양계가 완전히 고립되어 있다는 것이다. 태양계 생성론에는 규칙적인 진화과정에 의해 생성되었다는 것과 급격한 변화에 의해 생성되었다는 2가지의 주요한 이론이 있다.
첫번째 이론은 1796년에 프랑스의 수학자 라플라스가 생각한 성운설이다. 그는 태양계의 가장자리에 이르는 차갑고 거대한 원반형의 기체덩어리가 천천히 회전하는 것을 시작으로 하는 가설을 설정했다. 이 성운의 각 부분은 서로 끌어당기며 수축되어, 각운동량보존법칙에 따라 자전속도는 당연히 증가했다. 이러한 과정을 거쳐 자전속도가 증가하면 마침내 성운주변부의 원심력이 인력보다 커져 물질의 고리가 본체에서 떨어져나가게 된다. 수축이 계속되면 점차로 중심에서 가까운 부분이 분리된다. 이 고리 하나하나의 폭은 일정하지 않다. 이 고리의 밀도가 가장 높은 부분이 물질을 점점 끌어당기고 굳어져 행성이 되었다. 위성은 수축 때문에 행성이 생성되는 도중 기체가 응결하여 형성되었다. 혜성과 유성은 행성 사이에 남아 있는 물질로부터 만들어졌다. 라플라스의 성운설은 과학사적으로 가장 좋은 이론 중의 하나였으나 1900년경의 비판에 의해 이 이론을 버리지 않을 수 없다. 그 비판은 주로 각운동량에 대한 것으로 태양계 질량의 1％ 이하의 질량에 불과한 행성이 각운동량의 99％를 갖고 있다는 것은 자연의 물리과정에서는 생각할 수 없다는 것이었다. 또한 성운에서 떨어져나가는 물질은 고리형태보다는 입자형태로 떨어져 나간다고 생각하는 것이 훨씬 설득력이 있다.
행성이 다량의 각운동량을 갖게 되는 한 가지 방법은 각운동량을 외부에서 얻는 경우이다. 이렇게 급격한 변화에 대한 이론에서는 태양이 가까이 다가온 별과 충돌하든가, 최소한 충돌에 가까운 영향을 받았다고 가정한다. 별이 접근해오면 태양은 큰 조석력을 받아 태양 필라멘트의 끝이 별을 따라 우주공간으로 향하면서 태양 주위에 곡선을 그리게 된다. 약간의 물질은 태양 주위를 되돌아 필라멘트의 회전방향과 같은 방향으로 태양을 자전시키기 시작한다. 이 이론에 의하면 필라멘트는 결국 부서져 제각기 흩어지고 그것이 굳어져 행성이 된다. 이 경우도 역시 소행성·혜성·운석은 행성 사이에 남아 있는 파편에서 생긴다. 이 이론은 매우 그럴듯하게 보이지만 계산해보면 분출된 필라멘트는 태양 주위를 돌지 않고 통과하는 별을 따라서 바깥공간으로 나갔을 가능성이 크다. 또한 충돌설에 대한 가장 큰 반론은 별들 사이의 거리가 매우 커서 2개의 별이 충돌할 가능성은 거의 없다는 것이다. 이러한 모순을 피하기 위해 태양은 원래 2중성이었으며, 필라멘트는 태양의 반성이 폭발해서 신성으로 될 때 생겼다는 가정을 했다.
태양계의 생성에 대한 현대의 이론은 일반적으로 급격한 변화과정을 부정하고 과거의 성운설처럼 차가운 먼지와 기체로 된 원시 성운덩어리를 그 출발점으로 가정하고 있다. 그와 같이 큰 성운덩어리에는 적지 않은 난류가 존재하며, 난류의 생성과 소멸이 빈번하게 일어났으리라고 생각된다. 결국 이 가스 덩어리가 분해하여 기체의 구름이나 원시 행성으로 되었을 것이다. 이때까지는 물질이 차가웠지만 결국에는 수축이 일어나 중심의 온도가 올라가게 되어 스스로 빛을 복사하게 된다. 이런한 복사에 의해 행성이 가지고 있던 상당량의 질량은 우주공간으로 방출되었을 것이다. 이와 같은 가설을 세우면 각운동량에 대한 문제는 피할 수 있다. 태양계 생성에 대한 결정적인 이론은 아직 없으며, 어느 이론이나 개선해야 할 부분이 있다. 현재 받아들여지는 태양계 기원론에 의하면, 약 45억 년 전에 티끌과 기체로 된 거대한 구름덩어리가 중력적으로 수축하면서 태양과 행성들이 동시에 생성되었다. 중앙에 위치한 태양은 안쪽으로 떨어지는 기체의 대부분을 끌어들였고, 고온으로 압축된 핵은 핵융합반응이 진행될 수 있을 정도로 무거운 질량을 갖게 되었다. 주위를 돌던 작은 덩어리들은 자체적으로 빛과 열을 생성할 만큼 큰 질량을 갖지 못했기 때문에 어둡고 차가운 행성이 되었다. 행성들은 크게 지구형 행성과 목성형 행성의 2종류로 나눌 수 있다. 안쪽에 있는 수성·금성·지구·화성이 지구형 행성에 속하며, 바깥쪽에 있는 목성형 행성은 대부분이 기체로 이루어진 목성·토성·천왕성·해왕성 등이다. 지구형 행성은 태양으로부터 0.3~1.7AU의 거리에 있으며, 크기가 작고 암석성분이 많으며 대기는 희박하다. 지구형 행성은 초기의 태양성운에 존재할 당시 가지고 있던 두꺼운 대기층을 태양으로부터 방출되는 열 때문에 모두 날려보낸 후, 행성 내부에서 빠져나온 기체가 현재의 얇은 대기층을 형성하고 행성의 대부분은 암석상태가 되 었다.
태양계는 유일한 것일까
합성 사진/목성과 그 고리를 위성인 ...
예를 들어 가장 가까운 곳에 있는 항성의 주위를 돌고 있는 목성만한 크기의 행성이 있다고 가정할 때 지구상에 존재하는 가장 큰 망원경으로 찾아봐도 그 행성을 검출할 수는 없다. 따라서 다른 항성의 행성계에 대한 직접적인 정보는 얻을 수 없다. 하지만 항성 중 절반 이상이 쌍성, 또는 훨씬 많은 별들로 이루어져 있으며 이러한 쌍성들의 궤도는 일반적인 별들의 궤도와 다르다. 이러한 별들 중 한 별의 궤도가 비틀거리는 것을 분석한 결과 태양의 0.016배, 즉 목성의 17배밖에 되지 않는 반성을 갖고 있다는 사실을 알아냈다. 이같이 보이지 않는 작은 질량의 반성을 갖는 별들이 태양 주위에 있는 항성들 중에서도 몇 개 발견되고 있다. 현재로서는 우주에 태양계 외의 행태가 다수 존재할 것이라는 생각이 일반적이다.
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태양과 태양의 중력에 의해 태양 주변을 돌고 있는 지구를 비롯한 행성, 왜소행성, 혜성, 유성체 등의 천체로 이루어진 계(系).
태양계에는 항성인 태양과 그 가까이로부터 수성, 금성, 지구, 화성, 즉 지구형 행성이 순서대로 나열되어 있으며 그 다음에 유성대(asteroid belt)가 존재한다. 이후 목성, 토성, 천왕성, 해왕성으로 구성된 목성형 행성이 나열되어서 총 8개의 행성이 존재한다. 그 바깥에는 얼음덩어리들과 미행성들로 구성된 카이퍼 띠(Kuiper belt), 원반대역(scattered disk)이 있으며, 가장 바깥쪽에는 오르트구름(Oort cloud)이 있다. 유성체, 혜성과 성간 물질 등은 SSSB(small solar system bodies)로 분류된다.
태양계 전체 질량 중 태양은 99.86%에 해당하며, 목성과 토성이 나머지 질량의 90%를 차지하고 있다. 나머지 천체들의 질량은 태양계 내에서 매우 작은 값에 해당한다.
2006년 8월 국제천문연맹은 왜소행성을 정의하고 3개의 천체를 왜소행성으로 분류하였다. 화성과 목성 사이의 유성대(asteroid belt)에 있는 세레스(Ceres), 카이퍼 띠에 위치한 에리스(Eris, 혹은 Xena, 2003UB313의 명칭을 가지고 있음)와 역시 카이퍼 띠 근처에 있으며 이전에는 행성으로 불리던 명왕성이 왜소행성으로 분류되었다.
태양계의 주체는 태양을 제외하면 수성·금성·지구·화성·목성·토성·천왕성·해왕성의 8개 행성과 산재하는 약 2000개의 소행성들이다. 종래 태양계의 한계는 소행성 134340(명왕성) 또는 주기혜성 가운데 최대의 원일점(遠日點) 거리(약 100AU)라고 생각되어 왔지만, 최근에는 태양계가 반지름 1만 AU의 공과 같은 공간에 이르는 것으로 생각되고 있다.
여기서 1AU(천문단위)란 지구·태양의 평균거리를 말하며 약 1.5×108km이다. 태양계의 질량은 거의 전부가 40AU인 소행성 134340(명왕성)까지의 편평(偏平)한 부분에 집중하고 있다. 이밖에 태양계에는 총수 40개를 넘는 위성, 미소한 천체로 된 토성고리·목성고리·혜성·유성군(流星群)·행성간물질(行星間物質) 등이 있다. 이들은 모두 태양과 행성의 인력, 태양의 복사압(輻射壓), 행성간공간에 존재하는 미약한 자기장의 작용을 받아 복잡한 운동을 한다. 행성과 위성의 질량분포·운동에 매우 두드러진 특징이 있어, 태양계의 성인(成因)에 대해서 강력한 시사를 주고 있다.
행성운동의 바탕은 태양의 인력에 의한 타원운동이고 케플러의 세 법칙으로 설명되므로 ‘케플러 운동’으로 불린다. 행성의 궤도는 궤도긴반지름[軌道長半徑] ·이심률(離心率)·근일점황경(近日點黃經, 또는 近日點引數)·궤도경사·승교점황경(昇交點黃經) 및 특정시각에서의 위치 등에 의하여 결정된다. 이러한 궤도요소(軌道要素)는 오랫동안에 걸친 행성의 위치관측으로부터 얻어진다. 거꾸로 궤도요소가 알려지면 임의의 시각에서 행성의 위치를 천체역학의 원리에 의하여 계산할 수 있다. 실제로는 행성이 다른 행성의 인력도 받기 때문에 엄밀하게는 케플러 운동에서 어긋난다. 이 어긋남을 섭동(攝動)이라고 부르는데, 섭동 때문에 궤도요소는 시시각각 변동한다.
행성운동의 특징으로 다음과 같은 사실을 들 수 있다. ① 궤도경사는 모두 작아서 각 행성은 마치 동일한 평면 안에서 운동하는 것처럼 보인다. ② 공전방향은 모두 동일하여 지구의 북극 쪽에서 보아 시계바늘과 반대방향으로 돌고 있다. ③ 이심률은 작고 궤도는 모두 원에 가깝다. 이상의 사실은 일부 예외를 제외하고 위성계(衛星系)에 대해서도 말할 수 있다. 또 행성의 자전에 대해서 보아도 금성·천왕성을 제외하면 자전방향이 공전방향과 같고 황도에 대한 적도의 경사도 작다.
이러한 운동의 특징 이외에 공전의 각운동량(角運動量)의 분포에도 특이한 점이 있다. 뉴턴 역학에 의하면, 만유인력과 같은 중심력(中心力)인 경우에는 그 밖에 다른 힘이 작용하지 않는 한 각운동량(벡터량)이 질량이나 총역학적 에너지와 마찬가지로 보존된다. 태양계의 경우, 태양의 인력 이외에 행성들 상호간의 섭동 때문에 각 행성의 공전 각운동량은 약간 변동하지만 근사적으로는 거의 보존되는 것으로 생각할 수 있다.
태양계의 총각운동량은 이들과 태양·행성의 자전, 위성·혜성·행성간 물질의 공전 및 자전 각운동량의 벡터합인데, 태양의 자전과 행성의 공전에 의한 것이 압도적으로 크고, 그 이외는 극히 작다. 또 행성의 공전 각운동량은 태양계 전체의 98%를 차지하고, 태양의 자전에 의한 것은 2%에 지나지 않으며, 그 대부분은 목성 ·토성에 의한 것으로 화성보다 안쪽에 있는 행성의 공전 각운동량은 극히 작다.
태양계 전체의 각운동량은 불변이기 때문에, 태양의 중심을 지나서 총각운동량을 나타내는 벡터에 수직인평면도 일정불변하다. 이것을 ‘라플라스의 불변면(不變面)’이라고 하는데, 공간좌표계의 하나의 기준면으로 취할 수 있다. 목성의 공전 각운동량이 태양계의 총각운동량과 비등하므로 불변면은 목성의 궤도면에 가깝다. 그러나 불변면을 관측으로 결정하는 일은 곤란하므로, 기준면으로 채용하기에는 이론적으로 합리적이기는 하나 실용적이 못된다는 결점이 있다.
태양계의 천체 개관
본문
태양계는 소행성을 경계로 하여 그보다 안쪽의 행성과 바깥쪽의 행성과는 성질이 상당히 다르다. 즉, 수성·금성·지구·화성은 질량·반지름이 모두 작지만 평균밀도는 1cm3당 3∼6g으로 높다. 이것은 본체가 고체로 되어 있고, 그 둘레의 대기층은 극히 얇다는 것을 암시하고 있다. 스펙트럼 분석에 의하면, 대기는 산소나 그 화합물, 특히 이산화탄소 CO2나 물 H2O를 함유하고, 행성 전체는 무거운 원소인 규소 Si, 철 Fe이나 그 화합물이 주성분이다. 이와 같이 물리적·화학적 성질이 지구와 유사하므로 지구형 행성(地球型行星)으로도 불린다. 또 자전주기도 비교적 길고 형태도 공에 가깝다.
이에 대해서 목성형 행성(木星型行星)으로 불리는 목성·토성·천왕성·해왕성은 전혀 성질이 달라, 질량은 지구의 10∼300배, 평균밀도는 1cm3당 0.7∼1.6g으로 극히 작다. 또 대기는수소화합물(수소·메탄·암모니아)을 함유하는데, 이들은 원시태양물질이 그대로 남은 것이다. 자전속도도 지구형 행성에 비해서 크고, 행성의 형태도 일반적으로 편평하다. 이런 사실에서 미루어 목성형 행성은 두꺼운 짙은 대기에 싸이고, 원시상태에 머물러 있는 것으로 생각된다. 또 소행성은 화성과 목성의 중간에 있던 행성이 폭발한 조각으로 생각되고 있다.
태양과 행성의 질량분배 및 행성궤도의 평균거리의 분포를 보면, 질량분배는 각운동량의 분배와 전혀 반대로 되어 있어 태양계 총질량(이는 태양＋전행성의 총질량으로, 혜성·유성·행성간 물질의 총질량은 거의 무시할 수 있다)의 대부분이 태양에 집중하고, 위성을 포함한 행성질량은 태양의 약 800분의 1에 지나지 않는다. 한편, 궤도긴반지름(태양으로부터의 평균거리)에는 ‘보데의 법칙’이라는 관계가 성립한다.
즉, 행성의 번호를 수성을 0번, 금성을 1번으로 하여 차례로 붙였을 때, n번째 행성의 평균거리 an은 천문단위로, 10an=3×2n-1+4가 된다는 것이다(여기서 수성에 대해서는 우변의 첫째 항을 0으로 한다). 황도광(黃道光)에 대해서는 예전부터 알려졌던 것도 있었지만, 근년에 와서 태양의 코로나 등의 연구로부터 외부행성의 궤도면에 따라 원반 모양으로 행성간 물질이 분포하여 황도광의 원인이 된다는 것이 밝혀졌다.
이것은 빛의 파장보다 큰 고체의 작은 알맹이들이 엷게 모인 것으로, 이것이 태양광선을 산란(틴들 현상)하여 황도광으로 관측된 것이다. 이 알맹이의 집합체가 태양과 접촉하는 부분이 F코로나로 관측된다. 또, 행성간 공간으로 태양의 K코로나로부터 플라스마가 불어나오고 있는데, 이것이 태양풍(太陽風)으로 불리는 것이다. 지구 근방에서 그 밀도는 대략 1cm3에 알맹이 몇 개 정도이고, 속도는 매초 수백km로 추정되고 있다. 또 최근에 행성간 인공천체의 관측에 의하면, 행성간 공간에는 매우 약한(10-16∼10-15G 정도) 자기장이 존재한다는 것이 밝혀졌다.
태양계의 공간위치와 공간운동
본문
은하계(銀河系)에 속하는 항성(恒星)의 하나인 태양을 보았을 때, 은하계 내의 위치에 대해서는 최근의 항성천문학 및 전파천문학(電波天文學)에서의 연구로, 태양계가 은하면에서 북쪽으로 약 50광년(光年), 은하중심으로부터 약 3만 광년에 있음이 밝혀졌다. 공간운동에 대해서는, 근처 항성들의 고유운동(固有運動) 및 시선속도(視線速度)의 관측으로부터 항성의 무질서한 운동을 제거해 버리면 그 계통적인 나머지가 태양운동의 반영(反映)으로 얻어진다.
따라서, 통계적 자료로 쓰인 항성의 종류 ·분포범위에 따라 결과는 달라지지만, 현재 일반적으로 채용되고 있는 것은 극히 많은 항성의 운동의 평균값으로서 얻어진 값인데, 이를 표준태양운동이라고 한다. 그 값은 향점(向點)으로 적경(赤經) 271°, 적위(赤緯) 30°(1900년 초의 값), 속도는 매초 20.0km이다. 태양 근방의 항성은 태양도 포함하여 전체로서 은하회전(銀河回轉)에 참여하고 있다. 태양 근방의 은하회전 속도는 매초 약 250km이다.
태양계의 성인(成因)에 대한 것은 옛날부터 많은 흥미를 가졌던 문제였으며, 여러 가설(假說)이 세워졌지만 어느 것이나 만족스러운 것은 못되었다. 성인의 가설로는 앞에서 말한 행성운동의 특징, 질량분포 등을 모두 합리적으로 설명할 수 있는 것이라야만 한다. 그중 가장 오래된 것은 I.칸트(1755)와 M.P.라플라스(1796)가 제창한 칸트-라플라스의 성운설(星雲說)인데 태양계가 회전하는 편평한 성운으로부터 생겼다고 하는 것이다.
그후 이 설의 단점을 없애기 위해서 조우설(遭遇說)·쌍성설(雙星說) 등이 나왔지만 이들 역시 결함이 있고, 그중 가장 큰 난점은 행성의 공전 각운동량이 태양자전의 각운동량에 비해서 극히 크다는 사실을 전혀 설명할 수 없었다는 사실을 들 수 있다. 그러나 최근에 이르러, 1965년에 포베다 등은 전혀 새로운 관점으로부터 상당히 합리적인 학설을 발표했는데, 그 이론의 기본은 현대의 항성진화론 및 플라스마에 관한 전자기유체역학(電磁氣流體力學)이다.
우선 성간기체(星間氣體)로부터 별이 탄생하면 초기의 젊은 별은 방대한 플라스마(고도로 이온화한 기체)의 대기에 싸여 있으며, 또 극히 빠른 자전속도(적도에서 매초 50∼500km)를 가지고 있음이 일반적 관측사실로 밝혀졌다. 더욱이 우주공간, 특히 성간운(星間雲) 주변에는 자기장이 존재하는 사실도 잘 알려졌지만 별의 플라스마나 별 둘레의 대기나 성간기체에는 전자기유체역학에 의하면 자기장이 동결(凍結)되어 있고, 이 자기장은 별에서 대기로, 그리고 또 그 바깥쪽으로 각운동량을 전달한다.
이런 과정으로 별은 각운동량을 잃고 자전속도는 감소한다. 이것을 태양계에 적용해 보면, 현재의 전행성의 각운동량을 태양이 처음에 가지고 있었다고 생각할 때, 태양의 적도상의 자전속도는 매초 370km(현재 매초 2km)로 되어, 젊은 고온의 별들에서 관측되고 있는 회전속도와 같게 된다. 또 행성 자전축과 위성의 공전축이 행성의 공전축에 평행인 사실은 부분적인 소용돌이가 생겼다고 생각해서 설명이 된다.
그러나 보데의 법칙은 이 설만으로 설명할 수는 없다. 그러기 위해서는 C.F.바이츠제커의 다중구조(多重構造)의 소용돌이의 이론을 적용해야 한다. 만약 포베다의 이론이 옳다면, 우리는 태양계 이외에도 유사한 천체계가 다수 존재할 가능성이 있다고 생각해야 된다. 태양 자체의 나이는 항성진화론에 의해서 50∼100억 년으로 추정되었지만 이에 대해서 행성-지구의 나이는 지각 내의 방사성(放射性) 원소(우라늄·토륨)와 납의 존재비율로부터 45억 년으로 추정되고 있다. 이 값은 현재까지 화학분석이 이루어진 유일한 천체, 즉 운석(隕石)의 나이와 거의 일치하고, 따라서 행성의 나이는 대략 40∼50억 년으로 추정되고 있다. 태양계의 장래, 즉 행성계(行星系)는 안정하며 언제까지나 현재의 궤도운동이나 행성의 형태를 유지할 것인가 하는 문제를, 태양의 진화 또는 행성 내부구조의 변화로 인한 것을 제외하고, 역학적인 관점에서만 생각해보면 다음과 같다.
첫째는 궤도의 안정성이다. 행성에 작용하는 힘이 태양의 인력만이라면 영원히 타원운동을 하겠지만, 다른 행성이 있으면 그 인력 때문에 타원궤도를 벗어나서 최악의 경우 태양으로 떨어져 버리거나, 거꾸로 태양계 밖으로 방출될지도 모른다는 것이 문제가 된다. 이 문제의 엄밀한 해답은 천체역학의 다체문제(多體問題)가 풀리지 않으면 불가능하다. 현재까지 다체문제는 풀리지 않고 있지만, 그 근사이론으로 영년섭동론(永年攝動論)이 있다. 이에 의하면, 행성의 이심률은 행성의 질량이 극도로 작지 않는 한, 영년변화는 없다는 것(라플라스의 적분으로부터의 결론), 또 궤도긴반지름은 영년변화를 하지 않는다(푸아송의 정리)는 것이다. 물론 이것은 근사이론이므로 아주 먼 장래의 일을 알 수 없지만, 이 근사이론의 정밀도는 1억 년 정도라고 생각되고 있으며, 그 정도의 시간이라면 우선 궤도가 안정하다고 볼 수 있다.
행성 본체의 안정성에 대해서 생각해 보면, 일반적으로 질량 M인 천체의 근방에 이보다 질량이 작은 제2의 천체(질량 M')가 접근하면, 제1의 천체의 조석력(潮汐力) 때문에 어느 한계 이내에서는 제2의 천체가 깨어지고 만다. 이 한계를 ‘로슈한계’라고 한다. 행성 상호간에, 또는 행성과 위성이 로슈한계 안으로 가까워질 수 있는지 아닌지는, 궤도긴반지름의 안정성에서 일반적으로 일어날 수 없다고 생각되지만, 접근의 가능성이 있는 특별한 예외의 경우가 있다. 그것은 달의 경우인데, 달이 일으키는 지구해양의 조류(潮流)가 지각과 마찰하고, 그 결과 달의 각운동량이 지구자전으로 옮겨가서 총각운동량이 보존되기 때문에 달은 지구로 접근한다. 그러므로 로슈한계를 넘어설 가능성이 없다고는 말할 수 없다.
다른 예는 토성(土星)의 고리로, 그 안쪽반지름은 로슈한계 내에 있고, 위성이 깨어져서 고리가 된 것으로도 생각되고 있다. 최근에 인공천체의 목성 접근에서 목성에도 토성과 같은 고리가 존재한다는 것이 밝혀졌다. 또, 화성과 목성 사이의 공간에 수많이 흩어져 있는 소행성도 화성 밖을 돌던 행성이 목성(木星)의 로슈한계 안으로 들어가 깨어져서 조각난 것으로 생각된다.
