지구과학 고2 태양계 천체와 별과 우주의 진화

행성의 운동

Q: 행성들이 모두 거의 같은 평면에서 같은 방향으로 도는 이유는요?

태양계 형성 과정 때문입니다. 회전하는 원반 모양의 성운에서 함께 태어났기 때문에, 궤도면과 회전 방향이 원반의 것을 그대로 물려받았습니다.

케플러 법칙과 뉴턴 중력으로 내행성·외행성의 겉보기 운동과 역행 현상을 설명한다.

행성은 태양 주위를 같은 방향으로 공전하지만, 움직이는 지구에서 보기 때문에 배경 별에 대해 순행과 역행을 번갈아 하는 것처럼 보입니다.

고속도로에서 느린 차를 추월하는 순간, 그 차가 잠깐 뒤로 밀려나는 것처럼 보입니다. 행성의 역행도 똑같습니다 — 그 차가 후진한 게 아니라 내가 앞질러 간 것입니다.

쉽게 말하면

지구의 자전과 공전을 배웠다면, 우리가 서 있는 관측대 자체가 매일 돌고 매년 태양을 한 바퀴 돈다는 것을 압니다. 행성의 '겉보기 운동'은 이 움직이는 관측대에서 또 다른 움직이는 물체를 볼 때 생기는 상대 운동입니다.

여러 날에 걸쳐 같은 시각에 하늘을 기록해 보면, 행성은 배경 별자리 사이를 대체로 서쪽에서 동쪽으로 옮겨 갑니다. 이것이 순행입니다. 그런데 어느 시기가 되면 방향을 바꿔 동쪽에서 서쪽으로 되돌아갑니다. 이것이 역행이고, 방향이 바뀌는 순간 잠시 멈춘 듯 보이는 지점을 유(留)라고 합니다.

역행이 생기는 이유는 간단합니다. 태양에 가까운 행성일수록 빠르게 공전하기 때문에(행성의 운동과 케플러 법칙), 지구는 바깥쪽 행성을 주기적으로 추월하고 안쪽 행성에게는 추월당합니다. 추월이 일어나는 구간에서 두 행성의 시선 방향이 되감기듯 되돌아가면서 역행으로 보입니다. 그래서 외행성은 지구가 그것을 추월하는 충 부근에서, 내행성은 지구를 추월하는 내합 부근에서 역행합니다.

행성이 왜 애초에 그렇게 도는지는 만유인력이 답합니다. 태양이 잡아당기는 힘이 원운동과 구심력의 구심력 노릇을 해 행성을 궤도에 붙들어 둡니다. 인공위성이 지구를 도는 원리(위성과 궤도 운동)와 정확히 같은 법칙입니다. 옛날 천동설은 이 역행을 설명하려고 주전원이라는 작은 원을 덧붙여야 했지만, 태양 중심설은 '지구도 돈다'는 한 가지 사실만으로 역행을 자연스럽게 설명합니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

화성의 역행 고리

화성의 위치를 여러 달 동안 별자리 위에 찍어 이으면, 동쪽으로 가다가 되돌아왔다가 다시 동쪽으로 가는 고리 모양이나 지그재그가 그려집니다. 지구가 화성을 안쪽 차선에서 추월하는 시기에 나타나며, 이때 화성은 충 부근에 있어 밤새 보이고 가장 밝습니다.
예시 2

안쪽 행성이 더 빠르다는 증거

수성의 공전 주기는 지구보다 훨씬 짧고, 해왕성은 지구보다 훨씬 깁니다. 태양에 가까울수록 중력이 세고 궤도도 짧아 빨리 도는데, 이 관계를 정량화한 것이 케플러 법칙의 제3법칙 $T^{2} \propto a^{3}$ 입니다.
예시 3

주전원이 사라진 이유

천동설은 행성마다 주전원을 따로 붙이고 크기를 조절해 역행을 맞췄습니다. 태양 중심설에서는 '지구가 공전한다'는 전제 하나로 모든 행성의 역행 시기와 크기가 저절로 따라 나옵니다. 같은 현상을 설명하는 두 모형 중 왜 더 단순한 쪽이 살아남았는지 보여 주는 사례입니다.

자주 하는 오해

역행할 때 행성이 실제로 거꾸로 돈다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움역행 기간에는 화성이 궤도를 반대 방향으로 되돌아 공전한다

실제로는모든 행성은 언제나 같은 방향으로 공전합니다. 역행은 움직이는 지구에서 보기 때문에 생기는 겉보기 현상입니다.

행성이 진짜로 방향을 바꾸려면 궤도 속도를 0으로 만들었다가 반대로 가속해야 하는데, 그런 힘을 줄 것이 없습니다. 태양의 중력은 행성을 안쪽으로 당길 뿐 뒤로 밀지 않습니다. 되돌아간 것은 행성이 아니라 '지구에서 본 시선 방향'입니다.

순행·역행을 하룻밤 동안의 움직임이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움역행하는 행성은 그날 밤 서쪽에서 떠서 동쪽으로 진다

실제로는순행과 역행은 배경 별자리에 대한 위치가 여러 날~여러 달에 걸쳐 변하는 것입니다. 하룻밤 동안 뜨고 지는 움직임(일주 운동)은 역행 중이든 아니든 항상 동 → 서입니다.

일주 운동은 지구 자전이 만드는 하루짜리 현상이고, 순행·역행은 지구와 행성의 공전이 만드는 훨씬 느린 현상입니다. 둘은 시간 규모도 원인도 다릅니다. 역행 중인 화성도 오늘 밤에는 다른 별들과 함께 동쪽에서 떠서 서쪽으로 집니다 — 다만 어젯밤 별자리 속 위치와 비교하면 아주 조금 서쪽으로 물러나 있을 뿐입니다.