태양계 행성들

* 오래 전에 썼던 글을 리메이크 했다.

1960~80년대 냉전 기간 동안 미국과 소련의 주도로 진행된 우주 개발은 인류의 세계관, 우주관을 송두리째 바꿔 놓은 과업이 아니었나 싶다. 그 전에는 아담스키 같은 사람이 내가 금성에서 온 우주인을 만나고 왔다고 구라-_-를 쳐도 반박할 근거가 없었지만, 지금은 그런 말을 믿을 사람은 아무도 없다. 그리고 화성에서 사는 외계인이 지구로 쳐들어온다는 스토리인 <우주 전쟁> 같은 소설도 20세기 중후반부터는 읽기에 김이 좀 빠지게 됐다.

태양계의 행성들은 제각기 태양으로부터의 거리가 다르고 궤도의 이심률, 방향 등이 다를지언정, 거의 다 같은 평면상에서 태양을 돌고 있다. 행성들이 마치 원자 주위를 도는 중성자, 전자들처럼 3차원 공간을 다 차지하면서 마구잡이로 도는 건 아니라는 것이다. 그래서 사실 우리은하 전체가 납작한 평면 원반 형태이다. 그 위아래로 쭉 가면 뭐가 나올까 궁금해진다. (참고로 성경은 하나님의 왕좌가 자리잡은 방향도 북극이 향하는 그 절대적인 북쪽이라고 말한다.)

태양계 시뮬레이터가 있으면 무척 재미있을 것 같다. 태양을 비롯해 각 행성과 위성들의 질량, 반지름, 초기의 운동 방향을 입력해 주면 실시간으로 행성들이 우주 공간을 원뿔곡선을 그리면서 빙글빙글 도는 것이다. 그리고 행성의 임의의 시점에서 하늘을 봤을 때 태양이나 인접 행성들이 어떤 크기로 보일지도 보여주는 그런 프로그램을 누가 물리 엔진 잘 짜서 만들면.. 내가 직접 우주를 창조하는 창조주 기분을 낼 수도 있을 것이다. ^^;; 아마 천체의 운동을 제대로 기술하려면 3체 문제 같은 것도 적당히 풀어내야 할 것이다.

지구와 달부터 시작해서 태양계의 행성들을 지구에서 가까운 순서대로 나열해 보았다.

0. 지구

생명이 존재한다는 것, 물이 액체 상태로 충분히 존재한다는 것, 자전축이 직각의 1/4에 가까운 적당한 각도로 기울어져 있는 것, 비정상적으로 큰 위성이 존재하는데 달과 태양의 겉보기 크기가 같다는 것.. 뭐 정말 온통 특이한 점밖에 없는 행성이다. (수성, 금성만 해도 자전축은 5도를 안 넘으며 곧게 빙글빙글 돌고 있다.).

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지구는 자전 속도가 아주 서서히 느려지고 있으며, 달은 서서히 지구로부터 멀어지고 있다는 것이 알려져 있다.

1. 달

우주의 천체들 중 지구에서 제일 압도적으로 가까이 있는 덕분에 수십 년 전에 인간이 수 차례 직접 다녀오는 데도 성공했다.

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지구에서 발사된 로켓은 우주선(달 탐사선, 사령선)을 지구의 대기 궤도(parking orbit)에까지 올려주고, 그 뒤 우주선이 추가적으로 가속하여 지구를 도는 궤도를 초점이 달에 근접할 정도로 길쭉한 타원에 이르도록 가속한다.

그렇게 달 쪽으로 가다가 달의 중력에 끌려갈 때쯤이면 감속하여 달의 궤도에 진입하는데, 감속을 안 하면 우주선은 달을 삥 돌면서 8자 모양만 그리고 도로 지구로 돌아오게 된다. 아폴로 13호가 불의의 사고가 났음에도 불구하고 이 원리를 이용하여 달 착륙만 포기하고 지구로 귀환할 수 있었다.

사령선은 달을 도는 동안 달 착륙선을 밑으로 내려보내고, 착륙선은 나중에 다시 사령선과 합체한다.
지구에서 달까지 편도로 가는 데는 3~4일 정도 걸린다. 이 모든 과정에서 로켓이 연료를 분사하여 뭔가 가감속을 하는 시간은 수~수십 분에 불과하다. 로켓은 비행기가 아니고 우주 여행은 지구 대기권 비행이 아니다. 나머지 모든 시간은 그냥 관성으로 천체 궤도를 돌고 끌려가며 이동하는 시간이다.

2. 금성

일찍이 샛별이라고 불리면서 인류의 선망이 되어 온 이 행성은 지구와 가장 가까이 있으며 크기와 중력도 지구보다 약간 작을 뿐 얼추 일치한다. 가는 것 자체는 2~3개월 남짓 걸리고 궤도 진입도 쉬운 편이어서 다 좋은데... 딱 하나. 금성 내부가 24시간 초고온 고압의 불지옥이라는 것이 치명적인 문제다.

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이산화탄소로 꽉 찬 지표면 대기의 압력은 잠수함도 못 들어갈 정도인 해저 900m급과 대등하고, 온도는 1년 내내 극지방과 적도를 가리지 않고 섭씨 400도 이상이다. 두꺼운 구름을 뚫고 지표면을 들여다보려면 결국 탐사선을 착륙시켜야 하지만.. 이런 곳에 착륙한 탐사선은 수~수십 분밖에 못 버티고 고장 나고 파괴되고 말았다.
왜 하필 지구에서 제일 가까운 행성 하나만 유일하게 저 지경이 됐는지, 개인적으로 매우 아쉽다는 생각이 든다. 지구와 나란히 쌍둥이나 마찬가지인 행성인데 왜 운명은 서로 정반대로 바뀌게 되었을까?

금성은 태양계의 행성 중 공전 궤도의 이심률이 가장 작으며, 동그란 원에 일치한다고 한다. 크기도 별로 안 큰 행성이 대기압도 가장 짙고 자전 속도가 태양계 행성 중 살인적으로 가장 느리며, 심지어 공전 주기보다도 길어서 하루가 1년보다 더 길다. 또한 이놈과 천왕성만 공전 방향과 자전 방향이 상호 정반대인 것도 이색적이다. (다른 행성들은 그렇지 않음)
또한 금성은 지구와는 달리 자연 위성이 존재하지 않으며, 자전축이 기울어져 있지도 않다.

3. 화성

인류의 기술로는 가는 데 5개월~1년 정도 걸린다(당연히, 지구와 가장 가까워졌을 때 기준). 여기는 그나마 춥고 메마른 사막일 뿐인 덕분에 여러 탐사선들이 착륙 후에 수 개월~수 년간 활동했으며, 표면 사진도 제일 많이 전해져 있다(온통 시뻘건 산화철이 섞인 붉은 흙). 쉽게 말해 달 다음으로 2순위로 착륙해 볼 만한 곳이다.
그래도 거리의 압박이 있다 보니 여기에 가는 것도 마냥 쉬운 일만은 아니었다. 가는 도중에 통신이 끊기고 실패한 우주선 미션들도 굉장히 많다.

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화성은 금성보다도 더 작지만 자전 주기와 자전축 기울기는 지구와 묘하게 비슷하다. 그리고 태양과 충분히 멀어서 그런지 위성도 두 개 있다. 하지만 그래 봤자 둘 다 지름 10km대의 못생긴(=딱 봤을 때 구 모양을 하고 있지도 못한) 돌덩어리에 불과하며, 지구의 달하고는 스케일이 비교가 안 된다.
포보스는 태양계 전 행성의 위성들 중 공전 고도가 가장 낮으며, 화성과 서서히 가까워지고 있는지라 먼 미래에 화성과 충돌할 가능성이 점쳐지고 있다. 그 반면, 데이모스는 서서히 멀어지고 있다고 한다.

4. 수성

태양계에서 태양과 가장 가까이 있으며, 한편으로 소행성 왜행성 따위를 제외한 행성들 중에서는 제일 작아서 달보다 약간 더 큰 정도이다. 응당 위성도 없고 대기도 거의 없으며 표면엔 크레이터가 많아서 더욱 달과 비슷한 심상이다.

수성에서는 태양이 얼마만한 크기로 보일까? 공전 주기는 짧은 편이지만, 자전은 지구로 치면 거의 2개월에 가깝게 걸릴 정도로 매우 느리다. 그래서 긴 시간 동안 낮에는 표면이 섭씨 2~300도에 달하는 프라이팬처럼 달궈지고, 밤인 뒷면은 영하 세자릿수대에 도달한다고 한다. 달만 해도 그렇게 되는데 달보다 태양에 훨씬 더 가까이 있는 수성은 그 정도가 더욱 심하다.

수성은 지구와의 최단거리도 만만찮지만, 태양을 가장 가까이서 가장 빠르게 공전하는(지구 공전 속도의 약 1.5배이고, 공전 궤도의 이심률도 꽤 큼) 작은 내행성이라는 점으로 인해 탐사선을 보내기가 기술적으로 대단히 어렵다. 그냥 수성으로 보냈다가는 우주선도 십중팔구 태양으로 끌려가 버리기 때문이다. 아까 달 궤도에 진입할 때처럼 감속을 잘해야 하는데 이 과정이 엄청나게 빡세다.

그래서 지난 반세기 우주 시대 동안 수성을 탐사한 우주선은 마리너 10호와 메신저 단 둘밖에 없으며, 전자는 사실 수성의 궤도로 진입도 못 했다. 태양을 돌다가 수성에 근접하게 됐을 때만 잠깐 잠깐씩 탐사했을 뿐이다. 나중에 발사된 후자가 수성을 수천 번 돌면서 전체 표면 지도를 완성한 뒤, 나중에 궤도 유지를 위한 연료가 고갈되자 수성 표면으로 추락했다.

외행성 탐사선들이 보통 행성 스윙바이를 이용해서 가속을 하지만, 수성으로 가는 우주선은 금성을 이용해서 ‘감속’을 한다. 이거 속도를 맞추느라 메신저의 경우, 수성까지 가는 데는 발사 후 무려 6~7년에 달하는 시간이 걸렸다.
아울러, 이런 수성 탐사선은 원자력 전지(외행성)도 아니고 태양광 전지(지구 인공위성)도 아니고 무슨 양산 같은 열 차폐막을 두르고 날아갔다. 뱅글뱅글 바비큐 기동만으로도 태양열의 제어가 안 되기 때문이다.

수성은 크기나 색상(칙칙힌 회색..)이 달과 얼추 비슷하니 이 글에서 별도의 사진은 생략하겠다. ㄲㄲㄲㄲ

5. 소행성대

화성에서 목성 사이의 우주 공간에는 마치 마곡 역 개통 전에 서울 지하철 5호선의 발산-송정처럼 중간에 뭐가 빠진 것 같은 긴 공백이 존재한다. 티티우스 보데의 법칙으로도 예측할 수 있는 이 지점에는 마치 우주 찌꺼기 같은 자그마한 소행성들이 태양을 돌면서 마곡 역의 역할을 하고 있으며, 그 중 대표적인 물건은 ‘세레스’라는 이름이 붙은 소행성이다. 예전엔 커다란 한 행성이었다가 뭔가 큰 사고가 나서 박살이 나고 저 지경이 된 잔해들은 아닐까 하는 궁금증이 든다.

세레스의 고해상도 표면 사진은 2015년이 돼서야 촬영될 수 있었다. 얘도 온통 크레이터가 가득한 곰보 같은 모습이더라.

6. 목성

화성 이후부터 행성 사이의 거리는 수성-화성 사이의 행성에 비해서 굉장히 벌어진다. 목성은 태양계에서 가장 큰 행성이며, 토성만치 폼나지는 않지만 나름 고리도 갖추고 있다.

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표면의 무늬가 마치 나뭇결 같다는 생각도 든다만.. 저기는 잘 알다시피 착륙할 땅 자체가 없다. 표면에 내려가면 금성 뺨치는 고온 고압 유독가스 폭풍에 한 치 앞도 안 보이고 모든 것이 그냥 짜부러진다. 금성에는 없는 방사능도 왕창 튀어나온다.

목성은 그 큰 행성이 밀도가 작아서 그런지 자전 속도가 매우 빨라서 주기가 10시간대에 불과하다. 그리고 표면의 중력 가속도는 약 2.5G 정도라고 여겨지니 지구보다 더 무겁다.
덩치가 큰 덕분에 위성이 현재까지 무려 70개가 넘게 발견되어 있는데, 그 중 제일 큰 '가니메데'는 수성보다도 약간 더 크다. 그래도 질량은 수성의 절반 남짓이라고 한다.

7. 토성

제원을 살펴보면 여러 모로 목성의 축소판인 행성이다. 크기는 목성보다 약간 작지만 목성보다 훨씬 더 화려한 고리를 갖고 있으며, 자전 원심력으로 인해 적도 방향으로 목성보다도 더 찌그러진 타원처럼 보인다. 태양계에서 고리도 자신의 일부인 것처럼 여겨지는 유일한 행성이 바로 토성 되시겠다.

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목성의 표면은 온갖 화려한 물결 무늬, 나뭇결 무늬, 대적반, 동그란 흉터 같은 형상들로 점철된 반면, 토성의 표면은 너무 반들반들하다. 대기가 짙어서 표면이 잘 안 보이는 건지, 아니면 관측이 충분히 가까이에서 못 된 건지는 잘 모르겠다.

토성의 가장 큰 위성은 타이탄이며, 2005년에 카시니-하위헌스 탐사선이 착륙도 했다. 주변 풍경은 화성과 비슷해 보였다.

8. 천왕성

천왕성은 정말 엄청나게 멀다. 태양-토성의 거리가 토성-천왕성의 거리와 비슷할 정도이다. (티티우스-보데의 법칙이 적중하는 마지노 선인 행성인데, 그 법칙은 지수함수 형태이다..)
얘부터는(해왕성도) 지구에서 밤 하늘 관측으로는 볼 수 없으며, 블랙홀 찾듯 중력 존재감을 추적한 계산만으로 발견된 것이다. 표면 사진은 보이저 2호가 촬영해서 보내 준 것만이 유일한데, 이마저도 색깔이 희뿌옇고 퀄리티가 그리 좋지 못하다.

천왕성은 자전축이 무려 98도로 사실상 누워서 자전하기 때문에, 자전과 낮과 밤의 관계는 사실상 무의미하다. 태양을 향하고 있는 한쪽 극지방은 40년이 넘는 세월 동안 낮이고, 반대편은 밤이 그만치 계속된다.

9. 해왕성

앞서 얘기했듯이 물리적 특성과 크기, 발견 경위 등이 천왕성과 비슷한 처지이다. 목-토, 그리고 천왕-해왕 이렇게 짝을 이루는 것 같다. 그래도 지구보다도 더 새파란 게 색깔 하나는 예뻐 보인다. ^_^

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보이저 2호는 목성에서 토성까지 가는 데 2년, 거기서 천왕성까지 무려 4년 반, 거기서 해왕성까지 3년 반 정도가 걸렸다. 목성에서 해왕성까지 1979년부터 1989년까지 10년이 걸린 셈이다. 그나마 행성들이 얼추 일렬 최단거리로 늘어섰던 천우의 타이밍 때 날아간 게 이 정도이다.

위성 트리톤은 태양계 행성들의 위성 중에서는 거의 유일하게 해왕성의 자전 방향과는 반대인 역행 공전을 하고 있다.

10. 명왕성

너무 멀고 크기가 너무 작고, 보이저 탐사선의 조명조차 못 받았다 보니, 제대로 된 표면 사진조차 없이 오랫동안 상상도만 존재했던 물건이다. 최초 발견자가 미국인이기 때문에 미국에서 굉장한 애착을 갖고 있었지만, 알고 보니 자기 궤도에서 독보적인 행성도 아니었으며 왜행성· 소행성 등급으로 결론 지어졌다.

그런데 그 작은 명왕성에도 카론이라는 위성이 붙어 있다. 이 둘은 한쪽의 크기와 무게가 충분히 독보적인 관계가 아니기 때문에 무게중심이 두 행성의 바깥에 있다. 일종의 이중 행성계를 구성하면서 서로 상대방의 중력에 이끌려 빙글빙글 돌고 있다.

2006년에 발사된 뉴 호라이즌스 호가 9년 반 동안 보이저보다도 더 빠르게 날아간 끝에 드디어 명왕성의 표면 사진을 최초로 보내 줬다. 덕분에 명왕성의 표면은 자기보다 앞의 가스형 행성들보다 더 선명하게 잘 알려지게 됐다. 보아하니 색깔이 수성· 달이나 세레스 같은 회색이 아닌 붉은색 계열인가 본데, 화성처럼 철 성분이라도 있나 보다.

Posted by 사무엘

2018/11/14 08:31 2018/11/14 08:31
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