차시명: 1주차 제3강

주제: 행성 지구 2부 – 태양계

동기 유발: 우리 은하의 조그만 별 태양. 은하 전체로 보면 티끌보다도 적은 변두리별이지만 우리에게는 무엇보다도 소중한 지구가 속해 있는 별입니다. 우리가 아는 범위 내에서, 그리고 우리가 기술적으로 도달할 수 있는 범위 내에서 인류가 살아갈 수 있는 행성을 보듬은 곳은 오직 이 별에 속한 세상뿐입니다.

지구는 태양과 태양이 거느린 다른 행성들과 함께 태어났습니다.  우리 지구를 보다 잘 이해하고, 그리고 어떻게 기적적으로 우리가 여기에 존재하게 되었는지를 이해하기 위해서는 지구가 포함된 태양계에 대해 먼저 살펴보아야 합니다.

학습 목표: 태양계의 특징을 파악하고 이 특징을 바탕으로 태양계 형성 가설을 이해하자

강의 타이틀: 1. 행성 지구 – 1-2. 태양계

[slide #1]

안녕하십니까. 오늘은 우리 지구가 속한 태양계가 어떤 특징을 갖고 있으며, 이 태양계가 어떻게 형성되었는지 알아보겠습니다.

(설명할 때 해당 부분 네모로 표시)

태양계는 태양을 중심으로, 그 주위를 도는 8개의 행성과 수많은 소행성들, 좀 더 멀리 있는 왜행성, 행성 주의를 도는 위성, 혜성, 그리고 운석 등으로 이루어져 있습니다.

(각 행성을 호명할 때, 좀 더 큰 행성 그림이 해당 행성 위치로부터 튀어 나옴: 해당 행성 사진은 홈페이지에 있음)

이 그림은 태양계 내 행성들과 왜행성들을 나타낸 것인데, 상대적 크기나 모양은 실제와 비슷하지만 상호간의 거리는 실제대로 표현하지 않은 것입니다. 모든 행성들을 하나의 그림에 표현하자니 이렇게 된 것입니다. 태양계 내 행성은 태양에서 가까운 것부터 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성이 있습니다. 우리가 흔히 소행성이라 부르는 천체들은 화성과 목성 사이에 특히 모여 있으며, 한때 행성에 포함되었으나 지금은 퇴출된 명왕성 및 다른 왜행성들은 이들 바깥에 있습니다.

(해당 행성 그룹 설명할 때 네모로 표시)

크기를 살펴보면, 태양이 행성들에 비해 압도적으로 크고, 소행성대를 중심으로 그 안쪽의 행성, 수성, 금성, 지구 화성과 바깥쪽의 행성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성의 크기가 확연히 차이가 남을 보실 수 있습니다. 이들 안쪽의 행성을 내행성 바깥쪽 행성을 외행성이라 부르며 따로 구분하는데, 이 내행성과 외행성은 구성 물질에 있어서도 큰 차이가 납니다. 내행성은 암석 및 금속 물질로 되어 있는 반면 외행성은 가스 및 얼음으로 구성되어 있습니다.

이 그림을 통해 또한 상대적으로 크기가 큰 외행성들도 태양에 비할 수 없이 작은 것을 볼 수 있는데, 이를 좀 더 자세히 보도록 하겠습니다.

[slide #2]

(해당 사항 설명할 때 진하게 표시)

이 그림은 우리 태양계의 유일한 항성 태양을 그 주의의 다른 행성들과 비교한 것입니다. 태양이 얼마나 크냐하면, 태양 내에 지구 130만개를 넣을 수 있을 정도로 큽니다. 태양은 태양계 질량의 99.8%를 차지하고 있으니, 태양은 다른 행성들과 크기 비교 자체가 안 됩니다. 태양은 주로 수소로 구성되어 있지만 헬륨 및 다른 무거운 원소들의 양도 꽤 많습니다. 태양 중심의 밀도는 물의 밀도보다 150배 높습니다. (태양이 수소, 핼륨 이외의 다른 무거운 원소를 갖는다는 것은 매우 중요한 사실인데, 이는 태양이 소위 제 1세대 별이 아니라는 증거입니다. 즉, 빅뱅이 시작되고 처음 만들어진 별이 아니라는 증거이지요. 이에 대해서는 곰곰이 생각하고 관련 참고 문헌을 찾아보시기 바랍니다)

[slide #3]

이 그림은 태양 주변의 행성들의 공전 궤도를 나타내는 것으로, 태양에서 멀어질수록 공전 궤도 간격도 커짐을 알 수 있습니다. 그림의 가운데 네모 상자를 확대하여 보면 그 안에 내행성들이 있음을 알 수 있으니 태양과 내행들과의 거리에 비해 외행성과의 거리가 훨씬 긴 것을 알 수가 있습니다. 태양과 행성 공전 궤도 간의 거리는 일정한 규칙에 따라 늘어난다는 것이 발견되었는데, 이를 이 규칙을 발견한 사람의 이름을 따서 티티우스-보데 법칙이라고 합니다.

[slide #4]

티티우스-보데 법칙은 보시는 바와 같은 식으로 나타낼 수 있는데, 이를 이용해 계산한 거리가 실제 측정 거리와 놀랍도록 일치하는 것을 볼 수 있습니다. 이 법칙은 또한 소행성대의 위치를 정확히 예측합니다.

그럼 실제로 이 법칙이 어떻게 사용된지 살펴 보도록 하겠습니다.

(표의 화성 부분 확대)

화성은 태양으로부터 네 번째 행성이므로, (n column 네모로 표시) n 값은 –무한대, 0, 1, 2의 네 번째 값 2가 됩니다. (티티우스 보드 법칙 네모로 표시하고 n 값에 화살표로 2가 대입되는 것처럼 표시) 티티우수 보드 식에 n=2를 대입하면 (다음 식 기존 티티우스-보드 식 아래 새로 표시) a=0.4+0.3*22=0.4+0.3*4=1.6이 됩니다 (표의 화성에 해당 a 값 굵게 표시하고 표의 실제거리 1.52 깜박 거림) 이 것은 태양과 화성 간의 실제 거리 값 1.52AU와 매우 근사한 값입니다

[slide #5]

(설명될 때 해당 소행성들 더 밝게 표시)

우리 태양계에는 수없이 많은 소행성들이 있는데, 특히 화성과 목성 사이에 집중되어 있습니다.  이를 소행성대(asteroid belt)라고 하는데, 티티우스-보데 법칙에 의해 그 위치가 예측됩니다. 소행성대 이외에도 목성 궤도 상에 토로얀들, 그리고 그 안쪽에 힐다스가 있습니다.

[slide #6]

태양계 내 혜성들의 운동은 행성들과는 많이 다릅니다.  사진은 핼리 혜성의 모습을 찍은 것인데, 이 혜성의 궤도는 훨씬 길죽한 타원을 이룹니다.  이러한 혜성들은 보통 태양계 끝자락의 오어트 구름이라는 곳에서 기원할 것이라 추측하고 있습니다.

[slide #7]

지금까지 살펴본 바와 함께 태양계의 특징을 정리하면 다음과 같습니다:

(아래 각 항 차례로 애니메이션)

1 태양은 태양계 전체 잘량의 99.8%응 차지하지만, 각운동량은 약 2%만 차지합니다,

2. 모든 행성들은 대략 같은 면 상에서 같은 방향으로 타원궤도를 이루며 공전합니다.

3. 대부분의 행성들은 공전 방향과 같은 방향으로 자전합니다

4. 행성들은 티티우스-보데 법칙에 따라 배열합니다.

5. 행성들은 특징에 따라 내행성과 외행성 두 묶음으로 나눌 수 있습니다.

[slide #8]

이러한 특징을 갖는 태양계는 어떻게 형성된 것일까요?

지금까지 제안된 태양계의 형성 가설은 매우 많습니다. 보시는 것처럼, 성운설, 미행성설, 조석설, 응축설, 원시행성설, 포획설 등이 있고, 이외에도 몇 개의 가설이 더 있습니다.  이 중에 아마도 가장 일찍 제안되었고, 또 가장 유명한 것은 성운설일 것입니다. 성운설은 가스 상태의 성운이 응축하여 태양과 행성들을 만들었다는 가설로, 처음에는 태양의 질량과 각운동량의 차이를 설명하지 못하면서 외면 받았었지만, 후에 많은 별의 탄생과정을 지켜보면서 성운설의 기본적인 빼대대로 작동된다는 것을 관찰하고 나서 다시 널리 받아들여지게 된 가설입니다.

태양계의 형성 가설에 대해서는 이 링크의 문서를 참조하시고, 태양계 형성 과정에 대한 영상 클립은 이 링크의 것을 관람하시길 추천합니다.

[slide #9]

현재 널리 받아들여지는 태양계 형성 과정을 간략하게 요약하면  다음과 같습니다.

(설명할 때 해당 부분을 확대해서 보여준 후 다시 원래대로 축소)

지금으로부터 약 46억년 전 성긴 가스 먼지 덩어리로부터 태양계의 형성이 시작됩니다. 이 덩어리는 좀 더 큰 규모의 집합체의 일부였습니다. 어느 순간 주변의 초신성 폭발과 같은 충격파에 의해 응축이 시작됩니다. 응축으로 인해 회전하면서 원반 모양이 됩니다. 중앙에 충분한 물질이 모이면서 핵융합 반응이 시작되고 여기서 태양이 탄생합니다.  태양은 전체 물질의 99.8%를 모아 응축됩니다.  응축되고 남은 물질들은 다시 모여 점점 덩치를 키우고 이것이 행성, 소행성, 왜행성 등으로 성장합니다. 행성들이 만들어질 때 태양 가까운 곳에는 너무 뜨거워 암석 금속 등 무거운 물질들만 남아 행성을 이룹니다,  가스 아이스 등은 먼 곳에서 행성을 이뤄 현재의 태양계 모습을 갖추었습니다.

지금까지 태양계의 형성에 대해 간단히 알아보았습니다.  이 것은 우리 지구가 어떻게 형성되었고, 그로부터 지구의 진화 및 자원의 형성을 이해하는데 기초가 되는 내용이기 때문에 소개하였습니다.  다음 시간부터 본격적으로 지구에 대해 이야기 할 수 있겠습니다.

그럼 다음 시간에 뵙겠습니다.

[끝]

심화 토론:

1. 만일 태양이 지금보다 훨씬 크다면 행성들에게 어떤 영향을 미쳤을까요?  특히 지구가 지금과 어떻게 달랐을지 토론해봅시다

2. 왜행성인 명왕성은 한 때 태양의 행성 중 하나였지만 퇴출되었습니다. 그 이유를 조사해봅시다.

3, 태양은 제 1세대별, 즉 빅뱅 이후 처음 만들어진 별이 아니라고 합니다. 이에 대해 어떤 증거들을 찾을 수 있을까요?