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공전궤도
공전궤도(公轉軌道)는 한 천체(天體)가 다른 천체의 둘레를 주기적으로 도는 길을 말한다. 인력(引力)의 중심을 초점으로 하는 이차 곡선으로 나타낸다.
개요[편집]
한 천체가 다른 천체의 주위를 주기적으로 도는 길을 공전궤도라고 한다. 지구 같은 행성이 태양을 주기적으로 도는 길이나 달이 지구를 주기적으로 도는 길 등을 말한다. 또한, 공전운동을 하는 천체가 가진 궤도를 말한다. 2체 문제의 경우, 공전궤도는 케플러 법칙에 따르고 있는데, 3체 이상의 천체가 있는 경우 항상 제3체로부터의 영향을 받아 공전궤도는 늘 변화하고 있다. 은하계 내의 별의 공전궤도는 단순한 중심력이 아니므로 보다 복잡해진다.
케플러(Johannes Kepler)는 태양을 중심으로 도는 지구의 궤도를 설명하기 위해 많은 모양을 시도하였다. 그러다가 결국 행성의 궤도면이 태양을 지나가고, 궤도의 형태는 타원임을 알아내었다. 이 발견은 1609년에 케플러의 제1법칙인 타원의 법칙(the law of ellipses)으로 발표되었는데, 즉 "각 행성의 궤도는 태양을 한 초점으로 하는 타원이다." 그런데 태양계 내의 행성들의 궤도는 태양과 각 행성 사이에서만 인력이 작용하는 것이 아니라, 행성들끼리도 인력이 작용하기 때문에 엄밀하게는 타원궤도가 되지 못하고, 시간에 따라서 그 궤도요소가 조금씩 변한다. 이러한 궤도요소 변화의 원인을 섭동(攝動)이라 한다.
해왕성과 명왕성의 발견은 공전궤도의 섭동력과 관련이 있다. 1781년 허쉘(William Herschel)이 천왕성을 발견한 이후, 천왕성의 공전궤도요소를 연구하던 학자들은 천왕성 궤도에 섭동력이 존재함을 알게 되었고, 이를 통해 천왕성 바깥쪽에 새로운 천체가 있으리라 보고 여러 학자들이 가능한 위치들을 수색하였다. 결국 1846년 르베리에(Le Verrier, U.J.J.)가 해왕성을 발견하였는데, 관측기술이 더 발달하여 궤도요소들을 더욱 자세히 검토해 본 결과 천왕성과 해왕성에 또다른 섭동력이 있음을 알게 되었고, 해왕성 바깥에 또 다른 천체가 있다고 보았다. 그리하여 1930년 미국 로웰천문대의 톰보(Tombaugh, Clyde W.)가 사진관측을 통해 명왕성을 발견하였다.[1][2]
공전궤도 이심률[편집]
공전궤도 이심률(公傳軌道離心率, orbital eccentricity)은 태양을 돌고 있는 지구의 공전 궤도는 원에 가까운 타원인데 궤도 이심률이란 타원 궤도의 일그러진 정도를 말한다. 행성의 공전궤도는 원이 아니라 타원이다. 행성은 태양을 하나의 초점으로 하는 타원궤도를 그린다. 이를 케플러 제1법칙이라 한다. 궤도이심률이란 이 타원이 얼마나 찌그러졌는지 정도를 나타낸다. 숫자가 작을수록 원에 가깝고, 숫자가 클수록 럭비공처럼 많이 찌그러졌다는 것을 의미한다.
타원은 초점(F1, F2)에 압정을 고정하고 실을 묶어 압정에 걸어 그릴 수 있다. 그러면 긴반지름 a 와 짧은 반지름 b 가 나타난다. a, b가 중심에서 같은 거리인 도형이 원이다. 압정 부분에 태양이 위치하고 행성은 타원궤도 상에 위치한다. F1에 태양이 위치한다면 행성이 A1에 있으면 근일점이고, A2에 있으면 원일점이 된다. 따라서 태양 행성간 거리가 차이가 나므로 타원의 중심(O)를 정한다. 이때 c/a를 궤도 이심률이라 한다. 타원의 경우 이심률(e)는 0보다 크고 1보다 작다. 0 에 근접할수록 원(구)에 가깝고, 1 에 가까울수록 직선(평면)이 된다. 아래 표는 태양계 행성들의 궤도 이심률을 나타낸 것이다.
행성 수성 금성 지구 화성 목성 토성 천왕성 해왕성 이심률 0.2056 0.0068 0.017 0.0934 0.0484 0.0557 0.0472 0.0086
공전궤도 이심률의 변화
행성 공전궤도의 이심률은 고정되어 있지 않고 변화하는 것으로 알려져 있다. 유고슬라비아의 천문학자 밀란코비치에 의하면, 타원 형태인 지구의 공전궤도 모양은 긴 시간이 지남에 따라 변화한다. 상대적으로 긴 타원형으로 늘어났다가 다시 원형에 가까운 궤도로 돌아오는데, 그 주기는 약 10만 년이다. 즉, 지구의 공전궤도 이심률 변화 주기는 약 10만 년이다.
지구 공전궤도의 이심률이 변화하는 이유는 같이 태양 주위를 공전하는 목성과 토성의 상호작용 때문이라고 여겨지고 있다. 즉, 지구가 태양 주위를 공전하는 유일한 행성이라면 공전궤도는 거의 변하지 않을 것이다. 하지만 같이 공전하는 크기가 큰 행성의 중력의 영향으로 공전궤도가 주기적으로 변화하게 된다.
공전궤도의 이심률 변화가 커지면 근일점과 원일점에서의 태양 복사에너지 차이가 커지게 되고, 장기적으로는 지구의 기후에 큰 영향을 줄 수 있다. 100,000년의 기간 중에서 가장 이심률이 클 때에는 근일점이 원일점보다 약 20~30 % 더 많은 태양 복사 에너지를 받는다. 지난 15,000년 동안 지구 공전 궤도의 이심률은 계속 작아져 왔으며, 앞으로 약 35,000년 동안은 계속 작아질 것으로 예상된다.[3]
공전궤도면[편집]
2체의 상대 타원운동은 케플러 법칙에 따라 하나의 공전궤도면(orbital plane)이 정의될 수 있다. 그러나 3체 이상이 존재하면 제3체의 영향에 의해 궤도요소가 시시각각 변화하므로, 하나의 공전궤도면을 정의할 수는 없으나, 순간순간의 공전궤도면을 구할 수가 있다.[4]
공전[편집]
공전(公轉, orbit)은 한 천체(天體)가 다른 천체의 둘레를 주기적으로 도는 일을 말한다. 행성이 태양의 둘레를 돌거나 위성이 행성의 둘레를 도는 따위를 이른다. 공전은 한 천체가 다른 천체 주위를 원이나 타원을 따라 도는 것을 말한다. 즉, 두 천체가 중력에 의해 공통질량중심 주위를 일정한 주기를 가지고 도는 운동을 말한다. 행성이 항성 주위를 도는 것 뿐만 아니라 은하 내의 항성들이 은하 중심에 대하여 도는 것도 공전이라고 부른다. 다만 공전 운동 중심에 항상 천체가 존재하지는 않는다. 예를 들면 질량 차이가 크지 않은 2개의 항성이 쌍성계를 구성하고 있는 경우, 항성계의 질량 중심은 두 별 사이의 공간에 존재한다. 공전의 주체는 항성이나 행성, 위성에 국한되지 않고 티끌이나 가스 등인 경우도 많이 있다. 태양계의 경우 목성, 토성, 천왕성의 고리는 먼지나 얼음 등이 작은 입자 형태로 되어 있으며 이런 입자들이 행성 주위를 돌고 있는 것으로 생각된다. 블랙홀의 경우 빨려 들어가는 물질이 블랙홀 주위에 강착 원반을 형성하여 공전 운동을 하고 있다.
공전 운동의 원천이 되는 중력원의 질량이 일정하다고 가정하면, 행성 공전주기의 제곱이 궤도장반경의 세제곱에 비례한다는 조화의 법칙이 성립된다. 은하 내부를 도는 항성의 공전 운동의 경우 은하 물질이 은하 중심부터 바깥 영역에 걸쳐 연속적으로 분포하고 있기 때문에, 항성의 공전 운동은 은하 중심에서 그 항성 위치까지 분포하는 은하 물질 전체에서 받는 중력에 의해 정해진다. 은하계의 지구가 속한 태양계를 예로 들면 지구는 다른 행성 및 유성 등과 함께 태양을 공전하고 있다. 한편 태양은 스스로 자전을 하지만 동시에 태양계 입장에서 이것은 자기 자신에 대해 공전을 의미한다고 볼 수도 있다. 하지만 태양은 또한 여전히 항성이기도 함으로 은하계를 중심으로 공전하고 있기도 하다.
흔히 생각하기로는 지구가 태양을 중심으로 도는 것처럼 무거운 물체는 움직이지 않고 가벼운 물체만 그 주변을 도는 것 같이 보이지만, 태양이 너무나 무거워서 공통질량중심이 태양의 중심과 거의 일치하기 때문이고 모행성에 비해서 질량이 상당히 무거운 위성인 달을 기준으로 하면, 두 천체의 질량중심, 즉 EMB(Earth–Moon barycenter)는 지구 중심으로부터 약 이만큼 떨어진 곳에 존재한다. 지구 반지름이 6400km 정도니 대략 지표면 아래 1900km 정도다. 공전을 쉽게 비유하면 아버지와 딸이 양손을 맞잡고 빙글빙글 도는 것을 생각하면 된다. 질량이 더 큰 아버지 쪽으로 중심이 쏠리는 것을 알 수 있는데 이게 바로 공전이다.[5][6]
공전 방향과 주기
지구가 태양을 공전하는 주기가 바로 1년이며 이는 365.25641일이다. 보다시피 365일과 약 4분의 1일 정도 차이가 있는데, 이 차이를 처리하기 위해서 천문학, 수학, 그리고 역법이 발달하게 되었다. 현대에 사용하는 그레고리력에서는 이 오차를 보정하기 위해 2월 29일, 즉 윤년이 있다. 참고로 실제 달력에 반영하는 1년의 길이는 365.24219일로 공전주기보다 20분 정도 짧다. 태양계 천체의 공전방향은 대부분 지구와 같은 방향으로 돌고 있다. 지구의 북반구에서 남반구 쪽으로 내려다볼 때, 반시계방향은 순방향(progarde), 시계방향은 역방향(retrograde)이다. 역방향 공전을 하는 천체의 대표적인 예로 해왕성의 위성인 트리톤이 있다. 7000만 년 전 지구에서는 1년이 372일이라는 연구 결과가 나왔다.
- 공전 방향이 거의 나란한 이유 : 태양계의 모든 행성이 10도 기울기 범위 내에서 공전하고 있다. 나란한 공전면에서, 같은 방향으로 공전하는 것은 태양계가 형성될 무렵 태양 주변의 성간물질이 원반 형태를 이루었기 때문이다. 원반은 전체 각운동량의 방향과 수직이라고 볼 수 있으며, 성간물질은 태양 주위를 일정한 방향으로 돌고 있었다. (반대로 도는 물질이 있으면 충돌이 일어나 결국 같은 방향으로 정렬된다.) 이 상태에서 성간물질이 각각 모여 행성을 이루면서 현재와 같이 공전면을 이루었고, 성간물질의 진행방향이 곧 행성의 공전방향이 되었다.[6]
공전과 각운동량
천체의 운동에서 각운동량은 매우 중요하게 다루어지는 대표적인 물리량이다. 천체의 각운동량은 크게 자전과 공전 두 가지 요인이 있지만, 대부분은 공전운동이 차지한다. 태양은 질량이 태양계 전체의 99.8%나 차지하지만 태양계 질량중심과 거의 떨어져 있지 않아서 각운동량은 다른 행성에 비하여 매우 작다. 위성은 질량이 매우 작고 모성에서 떨어진 거리가 짧아서 이들의 각운동량은 미미하다. 아래 그래프와 같이 목성형 행성이 전체의 98%정도를 차지한다.
관련된 개념으로 불변 평면(invariable plane)이 있다. 이는 태양계 내의 모든 천체가 가지는 각운동량을 다 합친 벡터를 법선으로 삼으면서 태양계 전체 질량중심을 지나는 가상의 평면을 뜻한다. 이는 전체 각운동량이 보존된다는 전제하에서 생겨난 것이기에 '불변'이라는 수식어가 붙었다. 목성이 각운동량의 과반을 차지하므로 목성의 공전궤도면이 이 불변 평면에 가장 가깝다.[6]
동영상[편집]
각주[편집]
참고자료[편집]
- 〈공전궤도〉, 《네이버 국어사전》
- 〈공전궤도〉, 《두산백과》
- 〈공전궤도〉, 《천문학 작은사전》
- 〈공전궤도 이심률〉, 《두산백과》
- 〈공전궤도면〉, 《천문학 작은사전》
- 〈공전〉, 《네이버 국어사전》
- 〈공전〉, 《위키백과》
- 〈공전〉, 《나무위키》
같이 보기[편집]
