태양계 여행

(1)

태양계 여행

우주로의 여행

충북대학교 천문우주학과 김 용 기 교수

(2)

1. 허블 우주 망원경과 떠나는 태양계여행

• 김용기교수

• 충북대학교 천문우주학과

• 2016년 11월 29일

(3)

Jupiter: the shrinking red spot

1995

2009

2014

행성

분 - 시간

항성

년 – 수 천년 은하

백만 년– 수 십 억년

우주

수 십억년

시간/우주위치

빛이 그곳에서 지구까지 도달할 때 걸리는 시간

(4)

https://www.youtube.com/watch?v=JGYPCXG_KuY

Jupiter’s Great Red Spot Shown Shrinking over Two Decades

(5)

https://www.youtube.com/watch?v=C-PXrs-T6MM

Science Visualization of Moons Crossing the Face of Saturn

(6)

Europa: water?

artists conception

행성

분 - 시간

항성

우주

수 십억년

시간/우주위치

빛이 그곳에서 지구까지 도달 할 때 걸리는 시간

행성

분 - 시간

항성

우주

수 십억년

시간/우주위치

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목성의 오로라

토성고리와 오로라

행성

분 - 시간

항성

우주

수 십억년

시간/우주위치

(8)

artists conception

HST observations

HST observation of Quaoar HST observation of Eris

Pluto & New Horizons Mission

(9)

• 태양계 가족

– 행성들, 그들의 위성들과 고리, 그리고 소행성, 혜성 및 티끌 같은 파편들

2. 태양계의 개관

대부분 태양과 함께

45억년 전에 형성되었음이 밝혀짐

엄청난 가스와 티끌 구름으로부터 응축된

물질덩어리구름의 중심부분이 태양이 되었고, 바깥부분의 작은 양의 물질은 결국 다른 행성 을 형성

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태양계 가족 (상대적 크기)

^수성 금성 태양 지구

달

화성 목성

토성

천왕성 해왕성

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태양

- 지구 반지름의 108배 - 지구 질량의 333,000배 - 태양계 전체질량의 99.9%

- 표면온도 5800K

(12)

태양

- 성분비: 98% 수소와 헬륨, 2% 다른 원소

- 1초에 미국에서 1년 사용하는 전체에너지의 백만 배의 에너지 생성

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수성

- 태양에서 0.4 AU - 지구반경의 0.38배 - 지구 질량의 0.055

- 금속과 바위로 구성; 큰 철핵, 대기가 없다 - 황페하고 분화구가 있다

- 아주 뜨겁고 아주 춥다: 425도(낮) -170도(밤) - 태양주위를 2번 돌 때마다 3번 자전

(14)

금성

- 태양에서 0.7 AU - 지구반경의 0.95배 - 지구 질량의 0.82

- 온실효과가 심하다: 수성보다 뜨겁다, 밤과 낮에 470도 - 대기압력이 수심 1km에서 압력

- 산소나 물이 없다

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지구

- 생명이 살고 있는 오아시스

- 태양계에서 유일하게 표면에 물이 있는 곳 - 놀랍게 큰 위성 보유, 달

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화성

- 태양에서 1.5 AU - 지구반경의 0.53배 - 지구 질량의 0.11 - 지구와 비슷하게 보이지만

우주복을 입지 않고는 걸어 다닐 수 없다 - 큰 화산, 큰 계곡, 극관 등이 보인다

- 아주 오래 전에 물이 흐른 흔적이 있다:

생명체가 살았었을까?

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목성

- 태양에서 5.2 AU - 지구반경의 11.2배 - 지구 질량의 318 배

- 내행성들보다 훨씬 태양에서 멀리 떨어져 있다 - 주로 H/He; 고체 표면이 존재하지 않는다

- 지구보다 300배 무겁다

- 많은 위성들과 고리들을 지니고 있다

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목성

목성의 위성들은 행성들 자체로 흥미 있는 천체:

특히 갈릴레오 위성들

- 이오: 활발한 화산활동이 일어나고 있다 - 유로파: 아마 표면 밑에 해양이 존재하는 듯 - 가니메데: 태양계에서 가장 큰 위성

- 칼리스토: 크고, 분화구가 있는 “얼음 구”

이오

가니메데

유로파 카리스토

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목성

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토성

- 태양에서 9.5 AU - 지구반경의 9.4 배 - 지구 질량의 95.2 배 - 목성과 비슷한 거대행성으로 가스로 구성됨

- 얼음과 바위로 구성된 특이한 고리

- 구름이 있는 타이탄을 비롯한 많은 위성들 - 카시니 위성의 연구대상

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토성

카시니 위성이

태양을 등지고 찍은 토성의 모습

(22)

천왕성

- 태양에서 19.2 AU - 지구반경의 4 배 - 지구 질량의 14.5 배

- 목성/토성보다 작지만 지구보다는 크다

- H/He가스와 수소화합물(N₂O, NH₃, CH₄)로 구성 - 자전축이 심하게 기울어져 있다

- 위성과 고리가 있다

(23)

해왕성

- 태양에서 30.1 AU - 지구반경의 3.9 배 - 지구 질량의 17.1 배

- 천왕성과 비슷 (기울어진 축을 제외하고) - 많은 위성들 (트리톤 포함)

- 고리

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명왕성(Pluto), 왜행성

- 태양에서 39.5 AU - 지구반경의 0.18 배 - 지구 질량의 0.0022 배

- 다른 행성들보다 아주 작다: 왜 행성 - 얼음, 혜성과 비슷한 성분

- 카론이란 위성과 크기가 비슷 - 궤도면이 기울어져 있다

- 다른 왜 행성들: Eris, Ceres

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행성들의 운동

- 태양계내 모든 행성들은 거의 같은 평면에서 같은 방향으로 궤도 운동한다 - 대부분 그 방향으로 자전한다

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태양계 가족들의 크기

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행성 일람표

(28)

• 우리 가족들은 요~~

– 9개의 행성들은 모두 태양의 적도주위를 같은 방향으 로 돌고 있다

– 태양을 공전하는 방향과 같은 방향으로 자전(예외:금 성, 천왕성)

• 아이들의 성격

행성 일람표

상당히 작다 따뜻하다

바위와 금속으로 구성 고체표면

광활하고 공모양의 바다 중심에 고체핵

지구형 행성 목성형 행성

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• 태양의 선조와 손자 들

태양계의 작은 구성원들

소행성: 암석과 금속덩어리

행성형성이전의 태양계 초기물질

혜성:물,이산화탄소,일산화탄소및 메틸알콜 태양계 형성 당시의 잔재물

우주티끌: 바위조각과 티끌 유성, 운석

(30)

(31)

태양계의 구성원들은 태양계의 형성에 대한 정보를 제공해 줄 수 있는 흔적을 지니고 있다

공통점 찾기

1) 행성들 사이의 규칙성 찾기

태양과 행성들이 태양계성운에서 동시에 형성되었을 것 같은 방향으로 공전 같은 평면에 놓임

태양도 같은 방향으로 자전

3. 태양계의 기원

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2) 행성들의 구성성분

태양은 목성과 토성처럼 수소가 대부분 거의 같은 성분의 물질에서 형성되었을 것!

지구형 행성과 위성들에서는 가벼운 원소들이 결핍

내행성계에서 행성의 형성을 야기시켰던 어떤 물리작용이 가벼운 물질들을 도망가게 만들고, 무거운 물질들만 행성을 형성하는 재료로 남게했다는 것을 암시

공통점 찾기

철이나 규소같이 희구한 중원소들이 보인다

내행성들은 아주 적은 양의 얼음과 가스를 지니고 있다 태양의 열때문에 쉽게 증발했을 것!

얼음과 가스가 응축되기엔 너무 뜨겁다!

(33)

태양계와 비슷한 다른 행성계가 어디에선가 형성되고 있다는 증거 젊은 별의 주위를 돌고 있는

가스와 티끌의 편평한 원반이 관측되고 있다

먼 곳으로부터의 증거

충격과 충돌과정은 복잡하고 아주 무작위로 일어난다 태양아닌 다른 별을 돌고 있는 행성도 발견됨

태양계 성운 모형을 이론적으로 계산하는 실험이 성공하였다 직경 100km 이하의 수백만개의 작은 미행성들이

서로의 중력작용하에 행성으로 형성하는 모의실험

행성의 형성

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혜성, 소행성 그리고 운석은 태양계의 탄생과정에서 남은 찌거기 물질

운동학적 제약

관측적 제약

태양계 기원론이 설명해야 하는 행성계의 기본적 특성

화학적 제약 나이에 관한 제약

이론의 성립여부를 판가름하는 조건으로

사용

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운동학적 제약 모든 행성이 같은 방향으로 그리고 태양의 적도 면과 거의 일치하는 평면상에서 공전

거의 모든 행성과 그들이 거느리고 있는 위성의 공전 역시 대부분 동일한 방향

혜성을 예외로 태양계의 모든 구성천체의 운동은

납작한 원판모양으로 정의 (금성의 역자전도 설명해야) 화학적 제약 목성과 토성은 태양이나 다른 항성들처럼

대부분 수소와 헬륨으로 구성

다른 행성들은 이러한 가벼운 원소가 다소 결핍되어 있다 태양과 가까운 곳에는 금속성분이 풍부한 천체가,

거리가 멀어짐에 따라 암석질의 천체,

그리고 태양계외곽지역에는 얼음으로 된 천체가 존재

(36)

오오트 구름이나 콰이퍼대의 혜성들은 얼음덩어리이지만

소행성들은 어둡고 탄소를 많이 함유한 점이적 상태의 암석으로 구성

1993 갈릴레오 탐사선이 아이다 소행성을 찍은 근접사진 (4시간 39분의 자전주기사이에 14장의 사진을 찍었다)

일반적인 화학조성형태는 체계적인 온도배열의 결과로 해석 태양계 안쪽: 고온에서 응결될 수 없는 물질들이 결핍

예외 지구나 화성은 물이 존재하기에 너무 온도가 높은 곳에서 형성

물이 차가운 어느 곳에서부터 공급되어졌을 것!

(37)

나이의 제약

방사능 동위원소 연대측정법에 의한

지구암석에 대한 연령의 상한선은 38억년 월석의 경우 44억년

원시 운석의 경우 45억년에 근접

생성이후 변화하지 않은 암석의 연령을 태양계의 나이로 간주 측정된 연령이 유사하다는 사실은 태양계에 천체들이 형성되고 그들의 지각이 탄생 후 수 억년사이에 식었다는 것을 시사

원시운석이 뜨거운 기체의 응집이나 응결로 생겨났다 원시운석의 정밀한 조사결과

확인 가능한 몇 개의 조각이나 입자는 뜨거운 가스의 응결이 있었던 45억년 이전부터 존재했다

(38)

일반적인 생각 초기 조성이 현재 태양의 조성과 흡사한

태양계 성운이라 부르는 고온의 티끌과 가스가 회전하는 구름에서 태양계가 생성

태양계 성운

1) 태양이 자체중력에 의해 붕괴

물질은 중심으로 모여지며 밀도는 커지고 온도는 높아짐 고체입자들이 증발하여 기체가 됨

각 운동량보존으로 더 빨리 회전

회전축으로의 수축이 적도방향 수축보다 더 효과적으로 일어남 (원심력이 물질을 밀어냄)

2) 물질의 운동이 편평해짐

(39)

태양계 성운

물질이 회전축과 나란한 방향으로 떨어져 내린다

이런 회전원반의 모양에서 태양계 구성천체의 주된 운동이 설명된다 매우 젊은 별들의 관측에서 이런 납작한 원반모양 성운이

별 주변을 감싸고 있음이 관측되었다 3) 납작한 원반모양이 됨

4) 원시태양 생성

더 이상 중력수축에너지가 공급되지 못할 때

뜨겁고 밀도가 높은 중심영역에서 원시태양이 생성되고 바깥쪽은 냉각이 되기 시작한다

(40)

성운내부에서의 온도

원시 태양에서부터의 거리에 따라 감소

태양계 성운이 식어가면서 화학적인 반응을 일으켜 합성물을 만들어냄 응결되어 액체나 고체입자를 만들어 낸다

화학적 응결순위(1970년대) 최초의 물질: 금속과 암석을 만드는 규산염

황화합물에 의해 그리고

탄소와 물이 풍부한 규산염에 의해 결합

태양안쪽: 유기물 복합체가 형성될만큼 온도가 내려가지 않음 태양 바깥쪽: 낮은 온도때문에 얼음형태로 존재

(41)

응결되는 입자들이 결합하여 미행성 형성

지구형 행성의 형성

수km에서 수십 km의 덩어리가 될때까지 성장 (혜성의 기본물질)

행성, 소행성, 혜성과 같은 천체들의 표면에 충돌구덩이를 남기는 주역 미행성들중 중력이 커서 주변의 미행성을 끌어당기는

물질모임을 통해 성장하는 것들이 있다(수십개의 결합) 각각의 원시행성은 주변의 미행성들 끌어들여 성장을 계속한다 미행성들이 충돌할때 열이 발생하여 원시행성의 표면이 녹는다

원시 행성 생성

분화로 인해 무거운 금속성분은 중심핵으로 가라앉고 상대적으로 가벼운 규산염 암석만 표면쪽으로 떠오른다

가열되면서 가벼운휘발성 물질의 일부는 잃고 무거운 원소만 남음

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얼음과 규산염 암석이 주를 이루는 태양계 바깥 지역에서는 지구 질량의 10배가 넘는 정도로 큰 원시행성이 성장

거대 행성의 형성

주변의 기체를 끌어들일 수 있을 만큼 크게 뭉쳤다

수소와 헬륨이 중심핵을 향해 급속히 수축되면서 거대행성이 가열 핵반응을 일으킬 정도의

온도와 압력은 되지 못한다

수천년동안 어둡게 빛을 발하는 시기를 지나 점차 식어지면서 현재의 상태에 도달

성운의 기체가 중심핵을 향하여 수축하여서 태양과 같은 수소가 풍부한 화학조성을 이룬다

매우 효율적으로 전개되어 우주함량비에 가깝다 목성과 토성

목성과 토성보다 훨씬 작은 양의 기체가 포획 천왕성과 해왕성

얼음과 암석질을 주성분으로 한 거대한 핵을 구성

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태양계 성운의 중력수축에서 원시 행성의 탄생까지의 과정은 불과 수백만년의 기간에 일어난다

이후의 태양계 진화

아직 상당히 많은 미행성이 원시행성을 형성하는 과정에 참여하지 않았다 대부분의 혜성은 행성들로부터 멀리 떨어진 오오트 구름에 모여있다 얼음 덩어리들은 현재 천왕성과 해왕성이 있는 궤도 부근에서 형성되어 거대행성의 중력섭동에 의해 밖으로 밀려나왔을 것이다

일부 혜성은 해왕성 궤도 부근 까지 뻗쳐있는 콰이퍼대에 있다

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태양계 안쪽

이후의 태양계 진화

남아있는 미행성과 수십개의 원시행성들이 떠 돌았다

충돌을 야기 (수성의 줄무늬, 금성의 역자전, 지구일부가 떨어져 나간 달) 이런 소규모의 충돌들로 내행성의 질량이 꾸준히 증가하였다

내행성에 떨어지는 부스러기들은

대부분 태양계 성운 외곽에서 형성된 얼음이 풍부한 물질 지구에 생명체 탄생에 결정적인 물과 다양한 유기물 성분을 쌓이게 함

행성들이 남아있던 부스러기를

끌어당겨버리거나 밖으로 내보낸다 대부분의 미행성들이 사라짐 화성과 목성궤도 사이에 이런 충돌이나

방출을 피할 수 있는 궤도가 존재

소행성으로 남게됨

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40억년 전까지 가벼운 휘발성 물질들을 모으고

표면은 남아있던 미행성 잔해들의 충돌로 충돌구덩이로 덮이게 된다

각 천체의 화학조성, 질량과 태양에서의 거리에 의존한다

대규모 충돌의 시기는 태양계 생성 초기 약 1억년 정도에 집중 44억년 전에 끝이 남 행성은 식기 시작하여 현재의 모습을 갖추기 시작

외부의 영향이 서서히 감소하면서 자신들의 방식에 따라 진화

행성의 진화

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지구형 행성과 많은 얼음덩어리 위성들에서 지질학적 활동이 일어남

지질학적 활동

1. 생성될 당시 남아있던 잔열

2. 내부에 포함되어 있는 방사능 물질 붕괴 크기가 클수록 내부에너지가 많고 그래서 천천히 식는다

이런 활동의 에너지 원

큰 행성이나 위성의 표면에서 지질학적 활동증거가 없다 예외: 목성위성 이오

내부에 비정상적인 열에너지원이 존재

목성의 강한 조석력에 의한 내부물질의 변형의 의한것이라 추정

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지구형 행성의 지질학적 변천사의 단계

33억년 전까지는 매우 활발한 지질학적 활동

그후 맨틀이 식어서 지금은 지질학적으로 죽은 세계 달/

수성

달보다는 활발한 지질활동 화성

남반구 지각은 40억년전 형성,

북반구 화산분지는 달의 바다와 같은시기에 형성 가장 크고 활동적

지구/

금성 판구조활동의 지구 지구 지표는 끊임없이

새로 만들어진다(2억년이전) 금성에는 지구와 비슷한 화산활동 그러나 판구조는 없는듯

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얼음덩어리 위성

지구형 행성의 지질학적 진화와 다르다 에너지원은 같지만 물질이 다르다 이오

규산염의 용암대신에

황과 황화합물의 용암이 에너지원 이오보다 온도가 낮고 멀리있는 위성

물이나 얼음과 같은 저온 화산 활동의 증거가 있다

(49)

지구형 행성에 있는 산은 매우 다른 기원을 가지고 있다

고도의 차이

수십억년전에 일어났던 거대한 분지를 형성하던 충돌에 의해 분출된 물질때문에 생김

같은 화구에서 여러 차례 분출된 용암에 의해 만들어진 화산

규모는 작지만 비슷한 화산이 있다 달/

수성

화성 지구/

금성

지구/금성의 높은 화산은 압축을 받았거나 표면이 융기되었다 지구에서 지각의 압축과 융기는 대륙판들의 충돌에 기인한다

(50)

지구, 금성 그리고 화성의 가장 높은 화산의 높이 비교

화산높이가 달라진 이유

1. 화성에는 대기압이 작고 지판의 움직임이 없어 높은 산이 형성 금성-지구: 10km

화성-지구: 26km

2. 화성의 표면중력이 지구나 금성의 1/3정도밖에 되지 않음

(51)

내부에서 분출된 가스와

태양계 외곽지역에서 유입된 휘발성물질이

풍부한 미행서의 충돌에 의해 생성된 기체가 결합되어 만들어졌다

대기

모든 지구형 행성들은 초기에는 비슷한 대기조성을 가지고 있었다 너무 작고 뜨거워서 대기를 가지고 있을 수 없었다 수성

휘발성 물질의 결핍 -> 대기를 가졌던 적이 없다 달

(52)

대기

초기에 풍부한 수분을 함유한 두꺼운 대기가 형성되었지만 온실효과에 필요한 이산화탄소가 사라지고,

대기중의 물이 얼어버렸다 화성

물의 운명이 각 행성의 크기와 태양에서부터의 거리에 따라 서로 달랐다

액체상태의 물을 지속적으로 지닐수 있는 조화를 유지 지구

물이 사라지면서 금성과 화성의 대기는

약 96%의 산소와 몇%의 질소로 된 대기가 되어버렸다

지구에서는 첫번째로 물이 존재했고 두번째로 생명체가 존재하였기 때문에 매우 독특한 대기를 만들어 낼 수 있었다

이산화탄소는 해저에 퇴적되어 사라져버렸고

광합성 식물의 활발한 번식으로 많은 양의 산소가 만들어져

자연상태에서 화학반응으로 소멸되는 양을 능가하게 되어 산소대기 형성

(53)

타이탄

외부 태양계에서 대기를 가지고 있는 유일한 위성

휘발성 물질을 충분히 가지고 있다 (암모니아, 메탄, 그리고 질소) 크고 온도가 낮기 때문에 이런 기체를 지니고 있을 수 있다

오늘날에는 주로 질소로 이루어진 대기가 있다 (물이나 이산화탄소는 얼음상태로 존재)

오늘날 지구 대기는 진화와 적응을 수없이 많이 거듭한 결과이다 대기는 행성에 살아가고 있는 생명체의 활동에 의해서도 변할 수 있다