천체와 우주천체와 우주

3. 태양계

행성 나들이행성 나들이

태양계의 구조태양계의 구조 태양계태양계

• 태양과 8개 행성의 행성계, 많은 수의 왜행성, 위성 및 태양의 중력 하에 궤도를 도는물체로 구성

행성과 위성• 내행성계 – 수성, 금성, 지구, 화성• 외행성계 – 목성, 토성, 천왕성, 해왕성

소행성• 소행성대• 카이퍼대

혜성

Heliosphere

태양 (Sun )태양 (Sun, )개기일식이 일어나는 태양의 특성동안 태양의 코로나를맨눈으로도 관찰할 수있다. (해와 달의 각크기가 거의 같다.)

태양의 특성• 각크기 31.6’ – 32.7’ (약 0.5°)

• 거리 1.496 x 108 km

• 지름 140만 km (지구의 109배)• 지름 140만 km (지구의 109배)

• 질량 2 x 1030 kg (지구의 333,000배)

• 평균밀도 1.4 g/cm3

• 표면중력 274 m/s3 (28 g) 탈출속력 617 km/s• 표면중력 274 m/s3 (28 g), 탈출속력 617 km/s

• 표면온도 5778 K, 중심온도 1,600만도 (추정)

• 밝기 3.8 x 1026 W

겉보기등급 26 74 절대등급 4 83• 겉보기등급 -26.74, 절대등급 4.83

• 자전주기 25.05일 (적도), 34.4일 (극지)

태양의 주기• 밝기, 흑점의 수 등이 약 11년의 주기로 반복된다.

태양의 수명• 약 100억년 (현재 나이 46억년)

지난 30년간 태양의 특성 측정 자료.약 11년의 주기를 보인다.

• 수소 ⇒ 헬륨 핵융합이 에너지원 (주계열 별)

태양의 구조태양의 구조

태양풍 (Solar Wind)태양풍 (Solar Wind) 태양풍태양풍

• 태양 대기의 상층부(코로나)로부터 품어져 나오는 전하를 띤 입자들(플라즈마)의 흐름으로, 주로 전자와 양성자로 구성, 운동에너지는 대개 1.5 ~ 10 keV (속력 400 km/s, 온도 백만도) 사이로 일부는 태양의 중력(탈출속력 618 km/s)을 벗어날 수 있다.

• 입자의 수는 1.3 x 1036 개/s, 질량 손실 2~3 x 10-14 M⊙(태양질량)/년 ≒ 40 ~ 60억 톤/시간

• 극광 (aurora), 혜성의 플라즈마 꼬리

태양 신화태양 신화 중국 – 열 개의 태양 이집트 – Re

궁수 예(羿)의 이야기

수메르 - Shamash

아즈텍 - Tonatiuh

한국 – 연오랑 세오녀

행성과 왜행성행성과 왜행성

내행성과 외행성내행성과 외행성

내행성• 수성(Mercury), 금성(Venus), 지구(Earth), 화성(Mars)

• 지구형 행성 (terrestrial planet) – 암석과 금속이 주성분지구형 행성 ( p ) 암석과 금속이 주성분

• 금성, 지구, 화성에는 대기가 존재

외행성• 목성(Jupiter), 토성(Venus), 천왕성(Uranus), 해왕성(Neptune)

• 기체 거성 (gas giant) – 수소와 헬륨이 주성분

• 수소와 헬륨으로 된 대기

• 모두 행성 고리를 가지고 있다.

행성의 특성행성의 특성

적도지름 질량/지구

평균밀도

Oblatedness

표면중력/지구

자전주기

공전 면에대한 자전축 기울기

겉보기 밝기이름 km /지구

수성 2,439.7 0.3284 0.0553 5.43 0 0.378 58.646d 0.0 -2.1 to +1.3

금성 6,051.8 0.9489 0.8150 5.24 0 0.894 243.02d 177.3 -4.5 to -3.9

지구 6,378.1 1 1 5.515 0.0034 1 23h56m04s 23.45 -

화성 3,397 0.5326 0.1074 3.94 0.006 0.379 24h37m22s 25.19 -2.5 to +1.6화성 3,39 0.53 6 0. 0 3.9 0.006 0.3 9 3 s 5. 9 .5 to .6

목성 71,492 11.194 317.87 1.33 0.065 2.54 9h50m 3.12 -2.6 to -1.7

토성 60 268 9 41 95 185 0 70 0 098 1 07 10h39 9m 26 73 0 5 to +0 1토성 60,268 9.41 95.185 0.70 0.098 1.07 10h39.9m 26.73 -0.5 to +0.1

천왕성 25,559 4.0 14.537 1.30 0.022 0.8 17h14m 97.86 +5.7 to +5.9

해왕성 24,764 3.9 17.151 1.76 0.017 1.2 16h7m 29.56 +7.8 to +8.0

태양계 행성의 크기와 거리태양계 행성의 크기와 거리

천체 실제 지름태양으로부터의

실제 거리모형 지름

태양으로부터의모형 거리

태양(Sun) 1 392 500 km 139 mm태양(Sun) 1,392,500 km - 139 mm -

수성(Mercury) 4,880 km 57.9 million km 0.5 mm 6 m

성 k illi k금성(Venus) 12,100 km 108.2 million km 1.2 mm 11 m

지구(Earth) 12,760 km 149.6 million km 1.3 mm 15 m

화성(Mars) 6,790 km 227.9 million km 0.7 mm 23 m

목성(Jupiter) 143,000 km 778.3 million km 14.3 mm 78 m

토성(Saturn) 120,000 km 1,427 million km 12.0 mm 143 m

천왕성(Uranus) 52,000 km 2,870 million km 5.2 mm 287 m

해왕성(Neptune) 48,400 km 4,497 million km 4.8 mm 450 m

행성의 궤도행성의 궤도

수성 (Mercury )수성 (Mercury, ) 수성의 공전과 자전수성의 공전과 자전

• 공전 주기 88일 (회합주기 116일)빠르게 움직이는 탓에 신들의 전령인Mercury라는 이름을 붙인 것으로 추측

• 태양의 조석력에 의해 수성의 자전과공전은 3:2 공명을 유지

수성의 표면• 달과 매우 흡사

• 대기는 태양풍에 쓸려 나가서 거의 없음

• 큰 밤낮의 온도 차 – 적도근방에서 100 K (-173℃, 밤) ~ 700 K (427 ℃, 낮)

수성의 태양통과 사진

MESSENGER호가 찍은 사진들을 합성하여 만든 수성의 사진

수성의 태양통과 사진중앙 아래 까만 점이수성. 왼쪽의 큰 점은흑점.

금성(Venus )금성(Venus, )

Magellan호 레이더 이미징(1990-1994)으로 본 금성의 표면망원경으로 본 금성의 모습. 두꺼운 구름으로 덮혀 금성의 g표면이 보이지 않는다.

금성의 표면금성의 표면• 대기의 주성분은 이산화탄소, 소량의 질소

• 높은 대기압 (지구의 92배)

• 이산화탄소가 풍부한 대기 두꺼운 이산화황• 이산화탄소가 풍부한 대기, 두꺼운 이산화황구름에 의한 온실효과로 462℃ 이상의 높은대기온도를 유지

금성 탐사 금성 탐사• USSR – Venera 1964A (1964) – 16 (1983),

Vega 1 ,2 (1984)

• USA Mariner 5 (1967) 10 (1973) Pioneer

금성의 상변화

• USA – Mariner 5 (1967), 10 (1973), Pioneer Venus 1, 2 (1978), Magellan (1989)

• ESA – Venus Express (2005)

금성의 상변화

2004년 금성의태양통과 사진Venera 13 착륙지점

지구 (Earth )지구 (Earth, )

지구의 특성• 평균반지름 6,371km

• 질량 6 x 1024 kg• 질량 6 x 1024 kg

• 평균밀도 5.5 g/cm3

• 표면중력 9.8 m/s2, 탈출속력 11.2 km/s

지구의 표면지구의 면• 대기 주성분 – 질소, 산소

• 평균 온도 15℃, 압력 101 kPa

아폴로 17호가 찍은 지구 사진

지구의 자전지구의 자전 자전자전

• 자전주기 ⇒ 1일

• 지구의 자전축은 공전면에 대하여 23.5° 기울어져있으며, 이로 인해 1년 주기의 4계절 변화가 생긴다.있 며, 이 인해 년 주기의 계절 변화가 생긴다

• 지구의 자전은 느려지고 있다 - 2.2초/10만년

• 지표면에 사는 사람이 지구의 자전을 알 수 있는가?⇒ Corilois 힘, Foucault의 진자

자전에 의한 지표면의 속력지구 자전주기의 변화

지구 자전축의 세차 운동지구 자전축의 세차 운동 지구 자전축의 세차 운동 (precession)지구 자전축의 세차 운동 (precession)

• 26,000년 주기현재 북극의 방향은 북극성이자만, 13,000년 후의북극의 방향은 Vega자리가 된다.

• 춘분점(지구 적도면과 공전면이 만나는 점)이 변하게 되어 1항성년과 1태양년의 차이를 준다.

장동 (nutation, 지구 자전축의 요동)• 주 원인 - 달의 궤도 세차와 연관 – 18.6년 주기

지구의 구조지구의 구조

지구는 거대한 자석지구는 거대한 자석지자기의 기원지자기의 기원전도유체의 운동이 코리올리 힘에 의해 나선운동으로되면서 자기장을 형성하는 것을 보여주는 개념도

지구 자기장은 태양풍이 지표면에 오는 것을 막아준다. 지구의 자기장을 따라 극지의 대기로 들어온태양풍은 극광 현상을 일으킨다.

지구 자기장의 방향은자전축의 방향과 일치자전축의 방향과 일치하지 않으며, 시간에따라 변하고 있다.

1837년-2007년 사이지자기 북극의 이동지자기 북극의 이동경로

화성 (Mars )화성 (Mars, )화성의 대기이산화탄소 95%, 질소 3%, 아르곤 1.6%

허블 우주 망원경으로 찍은 화성의 모습. 표면의 산화철 먼지에 의해 붉은 색으로 보인다 가운데 어두운 부분은 현무암에 의해 붉은 색으로 보인다. 가운데 어두운 부분은 현무암대지인 Syrtis Major로 산화철 먼지가 없어서 검게 보인다. 위에서 내려다 본 올림푸스 산

높이 27 km로 태양계에서 가장 높은 산

목성 (Jupiter )목성 (Jupiter, )

Rings of Jupiter, discovered by Voyager 1, in 1979

Galilei의 위성. 목성에서 가까운 순서로 Io (왼쪽 사진에는 보이지 않음), Europa , Ganymede, Callisto

토성 (Saturn )토성 (Saturn, )

Saturn, as seen by Cassini 토성과 그 위성들

토성의 고리는 적도위 6,630 ~ 120,700 km 위에 있고, 평균두께 20 m 주성분두께 20 m, 주성분은 얼음(93%)이다.

Saturn ring, as seen by Voyager 2

토성의 폭풍 (하얀 부분) 토성 남극에서 보이는 극광

천왕성 (Uranus)천왕성 (Uranus)

HST image of Uranus showing cloud band, Voyager 2 image of Uranus g grings, and moons

y g g

해왕성 (Neptune)해왕성 (Neptune)

Neptune & Triton

왜행성과 위성왜행성과 위성 왜행성 (dwarf planet)왜행성 (dwarf planet)

• 크기 – 자체 중력에 의해 구형화

명왕성 (Pluto)• 1930년, Clyde Tombaugh가 발견

• 논쟁: Kuiper Belt, 소행성, …논쟁 p , 소행성,

• 2006년 행성에서 왜행성(dwarf planet)으로 강등

Neptune and its moon Charon Eris와 그 위성 Dysnomia(허블 우주 망원경)

달 (Moon )달 (Moon, )

달의 앞면 (지구에서 보이는 면) 달의 뒷면 – 어두운 바다가 거의 보이지 않는다.

달의 공전과 자전• 지구의 조석력에 의해 달의 자전주기는

달의 기원• Proto-Earth와 화성 크기의 물체(Theia)의

공전주기와 같다.• 지구에서는 항상 보던 반구를 본다.

충돌설이 유력

달의 기조력 신화달의 기조력, 신화 기조력 (tidal force) 상아(嫦娥 Chang’e)와 예(羿 Yi) 기조력 (tidal force)

• 위치에 따른 중력크기의 차이 상아(嫦娥, Change)와 예(羿, Yi)

• 하루 2회의 밀물과 썰물• 달의 기조력과 해의 기조력 비교

소행성대 (Asteroid Belt)소행성대 (Asteroid Belt) 소행성 (Asteroid)소행성 (Asteroid)

• 주로 내열성 암석과 금속에 약간의 얼음으로 구성된 태양계의 작은 물체

소행성대소행성대• 화성과 목성 사이에 (2.3 ~ 3.3 AU) 위치한

소행성의 집단• 태양계의 형성 시 목성의 중력간섭으로

행성이 되지 못한 잔해로 생각된다행성이 되지 못한 잔해로 생각된다.• 소행성의 크기는 지름 수백 km에서 미세 먼

지 수준까지 존재. 지름 1 km 이상의 것만 수만에서 수백 만개 사이로 추정

• 소행성대 전체의 질량은 지구의 1/1000 이하• 소행성대 전체의 질량은 지구의 1/1000 이하• 희박한 분포 – 우주선과 부딪힐 확률은 적음

Jupiter Trojan• 목성(행성)과 궤도를 공유하는 소행성 집단

Image of the asteroid belt (white) the Jupiter Trojans (green)

목성(행성)과 궤도를 공유하는 소행성 집단• 행성의 앞, 뒤 60° 지점을 유지• 지름 1 km 이상이 백만 개 정도로 추정

Hildas Image of the asteroid belt (white), the Jupiter Trojans (green), the Hildas (orange), and near-Earth asteroids.

Hildas• 목성(행성)과 3:2 궤도공명에 있는 소행성

집단

케레스 (Ceres)케레• 가장 큰 소행성, 지름 약 1,000 km• 내태양계의 유일한 왜행성 (자체 중력에 의해 구형화)

허블 망원경으로 찍은 케레스 소행성들의 크기와 모양 비교

4 Vesta, Ceres, 달의 크기 비교

Asteroid en:951 GaspraObtained by the Galileo spacecraft

카이퍼대 (Kuiper Belt)카이퍼대 (Kuiper Belt) 카이퍼대카이퍼대

• 태양에서부터 거리 30AU ~ 55AU 지역,작은 물체(KBO)들의 띠

• 태양계 형성의 잔해

카이퍼대의 발견• 1943년, Kenneth Edgeworth, 1951년,

Gerard Kuiper가 태양계의 진화 과정에서행성계 밖에 행성이 되지 못한 잔해인 작은행성계 밖에 행성이 되지 못한 잔해인 작은물체들이 많이 있어서 원반형태의 띠가 생길 것으로 제안

• 1992년, David Jewitt와 Jane Luu가 카이퍼대 물체를 확인대 물체를 확인

카이퍼대의 구성• 메탄, 암모니아, 물의 얼음• 알려진 물체 (KBO) 1000개 이상

Kuiper belt의 알려진 물체들

• 알려진 물체 (KBO) 1000개 이상• 크기 100km이상의 물체가 100,000개 이상

있을 것으로 추정• 왜행성 Pluto, Haumea, Makemake• 해왕성의 위성 Triton도 Captured KBO로u pe be t의 알려진 물체들 • 해왕성의 위성 Triton도 Captured KBO로

여겨짐

혜성 (comet)혜성 (comet) 혜성혜성

• 얼음이 포함된 작은 태양계 물체• 태양 근처를 지날 때 대기와 꼬리가 관측된다.• 주기는 수 년에서 수백만 년까지 분포

혜성의 기원• 짧은 주기 – 카이퍼대 또는 분산원반• 긴 주기 - Oort 구름

혜성의 구조 - 핵, 대기(coma), 꼬리

Hale-Bopp 혜성 (1997년, Croatia의 Pazin)대기, 먼지꼬리와 이온꼬리를 볼 수 있다.

Halley 혜성Halley 혜성

주기적인 혜성, Halley, Borrelly, Ikeya-Zhang의 궤도

Halley 혜성• 주기: 76 년

1986년 3월 8일에 찍은 Halley 혜성

• 주기: 76 년• 크기: 15 x 8 x 8 km^3• 질량: 3 x 1014 kg• 밀도: 0.6 g/cm^3

Halley 혜성 관측에 대한기록들

BC 164, Babylon 1066년Adoration of the Magi

Tempel 1 혜성Tempel 1 혜성

• 1867년 4월 3일, Wilhelm Tempel이 처음 발견• 목성계열 주기 혜성

Tempel 1 혜성, 2005년 5월 3일 Deep Impact가 얻은 합성 이미지

목성계열 주기 혜성• 주기 5.52년• 크기 7.6 x 4.9 km^2• 질량 7.9 x 10^13 kg• 밀도 0.62 g/cm^3밀도 0.62 g/cm 3

Tempel 1 혜성과 Deep Impact호의Impactor와 정면충돌 장면

태양계의 형성과 진화태양계의 형성과 진화 태양계의 형성과정태양계의 형성과정

• 46억년 전 거대 분자구름(molecular cloud)에서 중력수축에 의해 태양과 행성 형성

• 분자 구름의 구성은 수소, 헬륨, 그리고 소량의 중원소로 구성 (중원소는 이전 세대의 별에서생성된 잔해)생성된 잔해)

• 초기 각운동량의 보존 때문에 원판(지름 ~200AU) 형성

• 원판의 중심부는 protostar 형성, 5천만년 정도 후 주계열 별로 진행

• 원판의 주변부는 proto-planet 형성, 응축선(frost line) 안쪽은 금속 위주의 지구형 행성 형성원판의 주변부는 p oto p a et 형성, 응축선( ost e) 안쪽은 금속 위주의 지구형 행성 형성(금속의 양이 적어서 큰 행성을 만들 수 없다.), 바깥쪽은 끓는점이 낮은 분자 위주로 기체 거성 형성

태양의 탄생에서 죽음까지태양의 탄생에서 죽음까지

우리 은하에서 태양계의 위치우리 은하에서 태양계의 위치 우리 은하우리 은하

• 막대나선은하• 지름 약 10만 광년• 약 2,000억 개의 별

태양계• 오리온-백조 팔에 위치• 은하 중심으로부터 25,000 ~ 28,000 광년 사이• 은하 중심에 대해 약 220 km/s의 속력으로 공전• 은하 중심에 대해 약 220 km/s의 속력으로 공전,

공전주기 225 ~ 250만년 사이• 태양계의 공전면은 은하면에 약 60° 기울어 있다.• 태양계는 우리 은하에서 한적한(?) 지역에 위치

생명의 탄생과 진화에 유리?… 생명의 탄생과 진화에 유리?

우주에서의 지구의 주소 우주에서의 지구의 주소