이번 글에서는 태양계 행성 순서 및 크기 관련 정보에 대해 알아보도록 하겠습니다. 더불어 태양계의 기원과 행성 형성이 어떻게 되었는지에 대해서도 살펴볼 예정이니 궁금하신 분들은 꼭 참고해 보시면 좋겠죠?
태양계 행성 순서: 내행성
태양계의 가장 안쪽부터 살펴보면, 첫 번째 행성인 수성부터 네 번째 행성인 화성까지를 보통 ‘내행성(Inner Planets)’이라 부른다. 이들은 태양에 상대적으로 가까이 위치하며 밀도가 높은 암석질 행성이라는 공통점을 지닌다. 수성, 금성, 지구, 화성은 주로 암석과 금속으로 이루어져 있으며 비교적 작고 단단한 표면이 존재한다. 이 때문에 ‘지구형 행성(Terrestrial Planets)’이라는 분류로 묶이기도 한다. 이 네 행성은 태양계 형성 초기에 미행성들의 충돌과 합체 과정을 거쳐 생성되었다고 알려져 있다. 암석 물질들이 태양 주변에서 굳어지면서 밀도가 높은 무거운 원소들이 모여들어 만들어진 결과이기에 질량은 가볍지만 반지름 대비 밀도가 높다는 특징이 두드러진다.
수성(Mercury)은 태양에 가장 가까운 행성으로 태양으로부터의 평균 거리 약 0.39 AU(1 AU는 태양과 지구 사이 평균 거리 약 1억 5천만 km)의 위치에 존재한다. 지구형 행성 중 가장 작고 공전 주기도 가장 짧다. 태양과 매우 가까워 낮에는 표면 온도가 섭씨 400도 이상 올라갈 수 있지만, 대기가 거의 없어 밤에는 섭씨 -170도 이하로 떨어진다. 이러한 극심한 일교차는 수성의 대기가 극도로 희박하다는 점을 잘 보여준다. 또한 수성의 표면은 충돌구가 빽빽이 박혀 있어 달의 모습과도 흡사하다는 점이 흥미롭다. 중력이 약해 대기를 붙잡아두지 못하는데 이는 행성의 질량이 작고 태양풍의 영향이 큰 점도 한몫한다.
금성(Venus)은 태양으로부터 두 번째 행성이며 지구와 거리상으로도 가장 가깝게 접근하는 경우가 많다. 하지만 금성의 표면 환경은 지구와 극도로 다르다. 금성은 이산화탄소가 주성분인 두꺼운 대기를 갖고 있어 온실효과가 극심하다. 때문에 표면 온도가 평균적으로 섭씨 460도 안팎에 이르며 이는 수성보다 더 높은 온도이기도 하다. 또한 금성은 매우 짙은 구름층에 덮여 있어 가시광선 영역에서는 표면을 직접 관측하기가 거의 불가능하다. 이 구름은 황산 입자를 포함하고 있어 금성 대기에서 ‘황산비’가 내릴 수 있다는 점이 학계에서 관심을 받는다. 금성은 공전 방향과 자전 방향이 거의 정반대라는 점도 특이하다. 지구와 거의 비슷한 크기와 밀도를 지닌 ‘지구의 쌍둥이’라고도 불리지만 표면 환경은 생명체가 존재하기에 매우 어렵다.
지구(Earth)는 태양계에서 세 번째 행성이자 우리가 거주하는 행성으로, 현재로서는 확인된 바로는 유일하게 생명체가 존재한다. 지구는 액체 상태의 물이 풍부하며 적정 대기 조성과 온도를 갖추고 있어 생명체가 번영할 수 있었다. 지구의 대기는 주로 질소와 산소로 이루어져 있으며 오존층을 통해 태양에서 오는 강력한 자외선을 흡수함으로써 지표 생물을 보호한다. 또 지구 표면은 약 70%가 물로 덮여 있고 단단한 암석질 지각 위에 다양한 지형이 펼쳐져 있다. 플레이트 테크토닉 활동으로 인해 지각 변화가 활발히 일어나고 이 과정에서 대륙 이동이나 화산 활동이 생겨난다. 생명체가 지구에 존재하게 된 구체적인 기원은 여러 가설이 있으나 물과 다양한 유기물이 화학 반응을 통해 최초의 생명체를 형성했을 것으로 추정된다.
화성(Mars)은 네 번째 행성으로 붉은색을 띠기 때문에 ‘붉은 행성’으로도 불린다. 표면에 산화철(Fe2O3)이 많아서 붉은색을 띠게 되었다. 과거에는 물이 존재했다는 강력한 증거가 발견되어 오랜 시간 동안 화성에 생명체가 존재했을 가능성이 꾸준히 제기되었다. 화성의 대기는 매우 희박하며 주로 이산화탄소로 구성되어 있다. 따라서 지구처럼 대기압이 높지 않아 물은 액체 상태로 안정적으로 존재하기가 어렵다. 하지만 극지방에는 얼음이 존재하고 지하에도 물이 얼어 있는 상태로 남아 있을 가능성이 높다고 여겨진다. 화성 표면의 지형에는 대규모 협곡인 마리너스 협곡과 태양계에서 가장 큰 화산인 올림푸스 몬스가 존재한다. 탐사선과 로버(Rover)를 이용한 화성 탐사는 현재진행형으로 미래 인류의 거주 가능성과 관련하여 많은 연구가 진행 중이다.
이렇게 태양에 가까운 네 개 행성은 크기는 작지만 밀도가 높고 표면을 포함한 지질학적 특성이 두드러진다. 각각의 환경이 상당히 상이하며 특히 대기의 유무와 조성 차이가 극명하다. 이러한 네 행성을 제대로 이해하는 것은 태양계 형성 초기를 이해하는 데에도 매우 중요하다.
태양계 행성 순서: 외행성
다섯 번째 행성부터 여덟 번째 행성까지는 흔히 외행성(Outer Planets) 혹은 거대 가스행성(Gas Giants, Ice Giants)으로 불리는 범주에 속한다. 목성, 토성, 천왕성, 해왕성은 태양과의 거리가 멀고 질량과 부피가 매우 크며, 대부분이 가스와 얼음 성분으로 구성되어 있다. 이들 중 목성과 토성은 주로 수소와 헬륨으로 구성된 거대 가스행성(Gas Giants)에 해당하고 천왕성과 해왕성은 물, 암모니아, 메테인 등의 얼음 성분이 많은 ‘거대 얼음행성(Ice Giants)’에 더 가깝다고 말할 수 있다.
목성(Jupiter)은 태양계에서 가장 큰 행성이며 다섯 번째에 해당한다. 태양계 전체 행성 질량의 절반 이상을 목성이 차지한다고 해도 과언이 아닐 만큼 그 질량이 매우 크다. 목성의 질량은 지구 질량의 약 318배, 반지름은 약 11배에 달하며 대기 중에는 주로 수소와 헬륨이 많다. 목성의 표면이라고 부를 수 있는 고체 지각은 없고 가스가 점차 압축되면서 내부로 깊이 들어갈수록 액체 상태의 물질, 심지어 금속 수소 상태까지 존재한다고 알려져 있다. 목성의 대표적인 특징 중 하나는 ‘대적점(Great Red Spot)’이라 불리는 거대한 폭풍 지대이다. 수백 년 동안 유지되어 온 이 폭풍은 지구 직경보다도 큰 규모이므로 천문학자들에게 꾸준히 관측되고 연구되어 왔다. 목성은 위성도 90개 이상이 발견되었으며 갈릴레이 위성으로 불리는 이오(Io), 유로파(Europa), 가니메데(Ganymede), 칼리스토(Callisto)는 특히 유명하다.
토성(Saturn)은 여섯 번째 행성이자 아름다운 고리로 유명하다. 토성의 고리는 얼음과 암석 파편으로 이루어져 있으며 망원경으로 관찰할 때 이러한 고리 구조가 뚜렷하게 보이므로 천문학의 역사를 통틀어 흥미로운 대상이었다. 토성 역시 주로 수소와 헬륨으로 구성된 가스행성이며 밀도는 물보다도 낮아 태양계 행성 중 가장 낮은 밀도를 지닌다. 만약 토성을 충분히 큰 물그릇에 넣을 수 있다면 뜰 것이라는 비유가 있을 정도다. 토성은 자체적인 열 방출도 강력하여 내부 에너지가 남아 있는 것으로 추정된다. 토성의 대표적인 위성 타이탄(Titan)은 그 표면에 메테인 바다가 존재한다는 점에서 매우 이례적인 사례로 꼽힌다. 타이탄의 두꺼운 대기 역시 다른 위성과 구별되는 독특한 점이며 유기 화합물에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.
천왕성(Uranus)은 일곱 번째 행성으로 처음으로 맨눈 관측이 아닌 망원경 관측을 통해 발견된 행성이라는 역사를 갖고 있다. 천왕성은 ‘거대 얼음행성’으로 분류되는데 이는 내부에 물, 암모니아, 메테인 등이 얼음이나 액체 상태로 많이 포함되어 있기 때문이다. 가장 큰 특징 중 하나는 자전축이 심하게 기울어져 있어 옆으로 누워서 자전하는 듯한 모습을 보인다는 점이다. 이로 인해 극지방이 해가 들지 않는 겨울과 해가 지지 않는 여름을 아주 오랜 기간 동안 겪게 된다. 천왕성의 대기는 메테인이 어느 정도 포함되어 있어 파란색 혹은 청록색 빛깔을 띤다. 또한 천왕성에도 얇은 고리가 존재하며 위성은 20개 이상이 발견되었다.
해왕성(Neptune)은 태양계의 여덟 번째이자 가장 바깥쪽의 ‘정규 행성’으로 분류된다. 해왕성 역시 물, 암모니아, 메테인 등의 얼음 성분이 풍부한 거대 얼음행성이다. 천왕성과 마찬가지로 청록색을 띠지만 더 진한 푸른빛으로 관측되는 편이다. 해왕성은 공전 주기가 약 165년으로 매우 길며 ‘대흑점(Great Dark Spot)’이라 불리는 폭풍 지대가 한때 관측되었다가 사라진 기록도 있다. 해왕성의 대표적인 위성 트리톤(Triton)은 역행 공전(행성이 자전하는 방향과 반대 방향으로 공전)하며 지질학적 활동도 활발히 진행되는 것으로 추정된다. 해왕성 발견 당시에는 실제 관측 전에 천체 역학 계산을 통해 존재가 예측되었고 이후 관측으로 확인됨으로써 과학계에 큰 이정표가 되었다.
목성부터 해왕성까지 이어지는 외행성은 태양으로부터 거리가 멀어 상대적으로 태양광이 약하고 표면(혹은 대기 상층) 온도도 낮다. 그러나 크기가 워낙 크고 조성 물질도 다양하여 이들 행성을 연구함으로써 태양계의 다양한 물리·화학적 과정에 대한 실마리를 얻을 수 있다.
태양계 행성 순서: 행성 크기 & 위성
태양계 행성을 논할 때 빼놓을 수 없는 요소 중 하나가 바로 크기와 질량이다. 앞서 간략히 다루었듯 지구형 행성들은 상대적으로 작고 밀도가 높으며, 거대 가스행성들은 반지름과 질량이 대단히 크고 밀도는 낮은 편이다. 구체적으로 비교하자면 지구형 행성 중 가장 큰 것은 지구이며, 가장 작은 것은 수성이다. 반면 목성은 지구보다 직경이 약 11배, 질량은 318배나 크다. 토성 역시 지구보다 직경이 9배가량 크고, 질량은 약 95배에 달한다. 천왕성과 해왕성은 목성·토성보다는 작지만 그래도 지구에 비하면 현저히 큰 크기를 자랑한다.
행성의 크기만큼이나 중요한 요소가 바로 위성의 존재 여부다. 수성이나 금성은 위성을 거느리지 않으며, 지구는 달(Moon)을 유일한 위성으로 두고 있다. 화성은 포보스(Phobos)와 데이모스(Deimos)라는 작은 위성 두 개를 가지고 있는데 이는 소행성대의 소행성을 포획한 결과라는 가설이 유력하다. 반면 목성, 토성, 천왕성, 해왕성과 같은 거대 행성들은 수십 개 이상의 위성을 거느린다. 특히 목성의 갈릴레이 위성이나 토성의 타이탄, 해왕성의 트리톤처럼 행성 못지않게 다양한 지질학적 특징을 지닌 위성들이 존재한다.
이처럼 태양계의 여러 행성 및 위성의 크기와 질량 분포를 살펴보면 태양에서 멀어질수록 행성이 더 커지는 경향이 두드러진다. 이는 태양계 형성 과정에서 온도 구배(溫度勾配)와 원시 태양풍(Proto-solar wind)의 영향으로 멀리 위치한 지역에 더 많은 휘발성 물질과 가스가 쌓일 수 있었기 때문으로 설명된다. 수성과 금성은 대기를 잘 잡아둘 수 없을 정도로 작고 태양풍의 영향을 많이 받았다. 반면 목성, 토성은 막대한 중력으로 주변 가스와 소행성 심지어 혜성까지 포획하기도 한다.
위성 규모에 대해서도 거대 가스행성들은 자신의 중력권 안에 많은 소행성체나 얼음체를 끌어들이고, 때로는 이들이 서로 충돌해 부서지거나 합체하여 한 덩어리가 되는 과정을 거치면서 다양한 위성계를 형성한다. 이를 통해 우리는 행성 주위 작은 세계들이 어떤 과정을 거쳐 형성되고 그 구조가 어떻게 진화해 왔는지를 가늠할 수 있다.
태양계 행성 순서: 기원 & 역할
태양계는 약 45~46억 년 전, 거대한 분자 구름의 일부분이 중력 수축을 통해 원시 태양 성운(Nebula)을 형성하면서 시작되었다고 한다. 이 원시 성운의 중앙부에는 가장 많은 질량이 모여들어 결국 원시 태양이 탄생했고, 주변부에는 남은 가스와 먼지, 얼음 등이 원반 형태로 흩어져 존재했다. 이 원시 성운 원반(Protoplanetary disk)에서 미세한 먼지 입자들이 서로 충돌·응집·합체를 거듭하여 점차 큰 입자와 소행성체(미행성, Planetesimal)를 형성하게 된다.
이 시기에 태양으로부터 가까운 지역은 온도가 높아 금속 및 규소 등 녹아내리지 않는 암석 성분이 주를 이루는 작은 미행성이 발전하여 지구형 행성으로 성장했다. 반면 태양에서 멀리 떨어진 외곽 영역은 온도가 훨씬 낮았기 때문에 수소, 헬륨, 물, 메테인, 암모니아 등의 휘발성 물질이 대량으로 응축·포집될 수 있었다. 그러다 보니 목성, 토성, 천왕성, 해왕성 같은 거대 가스행성이 만들어진 것이다.
태양은 태양계 형성 초기부터 지금까지 전체 질량의 99.8% 이상을 차지하고 있다. 따라서 태양의 중력에 의해 행성들이 태양 주위를 공전하게 되며 이 과정에서 행성의 궤도 안정성이 유지된다. 태양은 끊임없이 에너지를 방출하는 핵융합 반응의 장이며, 태양풍(Solar wind)을 통해 대전 입자를 우주 공간으로 내뿜는다. 태양풍은 특히 수성과 같이 대기가 없는 행성에는 직접적인 영향을 미치고, 지구의 자기장과 상호작용할 경우 오로라를 발생시키기도 한다. 한편, 태양은 진화 과정에서 밝기가 달라지기 때문에 지구의 기후 변화나 행성 표면 환경에도 오랜 시간에 걸쳐 영향을 미쳐왔다.
또한 태양계의 외곽에는 카이퍼대(Kuiper Belt)와 오르트 구름(Oort Cloud) 같은 소천체 집단이 존재한다고 한다. 명왕성(Pluto)은 2006년 국제천문연맹(IAU)에 의해 행성에서 왜소행성(Dwarf planet)으로 재분류되었는데 이는 카이퍼대에서 발견되는 여러 유사 천체들과의 분류 문제에서 비롯되었다. 이렇게 태양을 중심으로 무수히 많은 천체들이 서로 중력적·물리적 상호작용을 하며 현재의 태양계 구도를 형성하고 있다.
행성들의 기원을 살펴보면 태양 주위에서의 원시 성운 분포와 휘발성 물질의 응축 한계, 중력적 포획 등이 복합적으로 작용했음을 알 수 있다. 이 과정을 통해 각 행성은 서로 다른 환경과 구성을 갖추게 되었으며 이는 곧 우리 태양계의 다양한 천체들의 모습으로 이어졌다.
태양계 행성 순서: 행성 형성 이론 & 미래 연구
행성 형성에 대한 이론은 대체로 ‘성운 이론(Nebular hypothesis)’을 근간으로 한다. 이는 18세기 칸트와 라플라스가 제안한 초기 사상부터 시작하여 현대에는 미행성체 축적 이론(Planetesimal Accretion Theory)과 원시 행성 핵(Core accretion model) 모델 등이 발전된 형태로 자리 잡았다. 핵 융합 전 태양 원반에서 입자들이 모여들어 미행성을 만든 뒤 이들이 계속 충돌·결합해 proto-planet(원시 행성)을 이루고 최종적으로 행성이 되었다는 것이 주된 시나리오다. 여기에 가스가 풍부했던 외곽 지역에서 중력적 불안정(Gravitational Instability)이 발생해 빠른 속도로 거대 가스행성이 형성되었다는 이론도 제시된다.
현재 천문학자들은 외계 행성(Exoplanet)을 관측하여 우리가 알고 있는 행성 형성 이론이 다른 항성계에서도 일관되게 적용되는지 혹은 새로운 변수가 있는지를 연구하고 있다. 수많은 외계 행성이 관측되면서 목성과 비슷한 거대 가스행성이 주성에 매우 가까이 붙어 있는 ‘핫 주피터(Hot Jupiter)’ 사례들도 다수 발견되었다. 이는 기존에 태양계 기준으로 예측했던 모델과는 상당히 다른 모습을 보여주어 행성 형성 이론에 새로운 가설과 수정이 필요하다는 점을 시사한다.
태양계의 미래를 생각해보면 태양은 약 50억 년 후 적색거성 단계에 접어들어 부풀어 오르고 수성·금성·지구를 집어삼킬 가능성이 제기된다. 그 시점이 되면 현재의 태양계 구조는 크게 변할 것이며 외곽에 있는 가스행성들도 중력적 상호작용이나 태양의 질량 손실 등 다양한 과정 속에서 새로운 궤도로 이동할 수 있다. 하지만 인간의 시간 척도와 비교하면 매우 먼 미래이므로, 현재로서는 주로 ‘이론적 시뮬레이션’과 ‘항성 진화 모델’을 통해 추정하는 단계다.
이렇듯 태양계 행성들의 형성 과정과 미래 진화상은 단지 과거에 국한된 문제가 아니라 천문학과 행성 과학 분야에서 끊임없이 진행되는 연구 주제다. 특히 우주 탐사 기술의 발전으로 화성, 목성·토성계, 그리고 소행성대나 카이퍼대 지역을 직접 탐사하며 축적된 데이터는 과거에는 이론적으로만 예측했던 현상들을 정밀하게 확인하고 새로운 가설을 세우는 데 크게 이바지한다.
더 알고 있으면 좋은 것들
정리하자면 태양계 행성의 순서는 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성 순으로 이어지며 각 행성은 태양으로부터의 거리, 물질 조성, 질량과 부피, 대기 조성 등에 따라 매우 다른 특징을 보인다. 내부의 암석질 행성(내행성)들은 표면이 단단하고 상대적으로 작으며, 외부의 거대 가스행성(외행성)들은 엄청난 질량과 부피를 지니고 주로 가스와 얼음 물질로 이루어져 있다. 또 태양계 형성 초기에는 원시 태양 성운이 중력 붕괴를 일으켜 태양이 만들어지고 주변 원반에서 미행성이 합체하여 행성이 되는 과정을 거쳤다.
이러한 태양계 구조를 이해함으로써 우리는 지구가 어떤 역사적 과정을 거쳐 생명체가 번영할 수 있는 환경을 갖추게 되었는지를 알아갈 수 있다. 화성에서의 물의 흔적과 생명체 탐사, 목성과 토성을 비롯한 거대행성의 복잡다단한 위성계 연구, 천왕성·해왕성의 내부 구조와 자전축 기울기 문제 등 태양계의 수수께끼는 결코 단순하지 않다. 꾸준한 우주 탐사와 관측 기술의 발전으로 과거에는 알지 못했던 행성이나 위성, 혹은 외곽 소천체에 대한 풍부한 정보가 쌓이고 있으며 이를 통해 새로운 이론이 제시되고 또 검증되는 순환 과정을 겪고 있다.
마지막으로 태양계 행성 순서와 크기, 기원 그리고 행성 형성 과정을 체계적으로 살펴보는 일은 단순히 천문 지식을 습득하는 데서 그치지 않는다. 우리의 우주에서 과연 어떤 조건이 생명을 가능케 하는지를 찾고, 지구가 얼마나 소중한 환경을 갖고 있는지를 재인식하게 하며, 나아가 다른 항성계에서 행성 및 생명체가 존재할 가능성을 탐색하는 데에도 중요한 단서를 제공한다. 그리하여 태양계의 행성 하나하나를 자세히 들여다보는 것은 인간이 우주에서 자신의 위치를 자각하고 우주의 광활함을 깨닫는 의미 있는 학문적·철학적 행위라 할 수 있다.
맺음말
여기까지 태양계 행성 순서, 크기, 기원, 행성 형성에 대해 함께 알아보았다. 각 행성이 어떻게 태양계를 구성하고 있는지와 더불어 그 기원과 특징, 그리고 앞으로의 연구 과제까지 폭넓게 살펴보았다. 수성에서 해왕성에 이르는 여덟 행성뿐 아니라 왜소행성으로 재분류된 명왕성 그리고 소행성·혜성·카이퍼대 천체 등도 태양계라는 거대한 무대의 한 부분임을 잊지 않고 연구와 탐사를 이어간다면, 앞으로 더 풍부한 우주 이야기가 펼쳐지리라 기대한다.