행성과학

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1. 개요

행성 과학은 행성의 구조, 기원, 진화, 그리고 태양계와 외계 행성계를 연구하는 학문이다. 고대 그리스 시대부터 시작되어 갈릴레오 갈릴레이의 망원경 관측을 통해 발전했으며, 현대에는 우주 탐사선을 이용한 연구가 활발히 진행되고 있다. 주요 연구 분야로는 행성 천문학, 지질학, 지구물리학, 대기 과학, 해양학 등이 있으며, 태양계의 형성 및 진화 과정을 밝히는 것이 중요한 과제이다. 다양한 학술지, 학회, 그리고 전 세계 정부 우주 기관을 통해 연구가 이루어지며, SF 소설 '듄'과 같은 대중문화에도 영향을 미치고 있다.

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행성과학
개요
학문 분야	과학
정의	행성과 행성계를 연구하는 학문
관련 분야	지구과학 천문학 우주 탐사
연구 대상
행성	지구형 행성 목성형 행성 천왕성형 행성
위성	달 포함
소행성	소행성대 카이퍼대 오르트 구름
기타 천체	왜행성 미행성체 행성간 먼지
연구 방법
이론적 연구	행성 형성 이론 행성 진화 모델
관측적 연구	망원경 관측 우주 탐사선 탐사
실험적 연구	모의 실험 샘플 분석
주요 연구 분야
행성 형성	원시 행성계 원반에서 행성이 어떻게 형성되는가
행성 진화	행성이 시간이 지남에 따라 어떻게 변화하는가
행성 표면	행성 표면의 특징과 형성 과정
행성 대기	행성 대기의 구성, 구조, 역학
행성 내부 구조	행성 내부의 구성, 구조, 열적 진화
행성 자기장	행성의 자기장의 발생 원인과 역할
외계 행성	태양계 외부 행성의 탐색과 연구
역사
초기	천문학과 지구과학의 일부로 연구
발전	우주 탐사 시대 도래와 함께 독립적인 학문으로 발전
참고 문헌
저자	Stuart Ross Taylor
제목	Why can't planets be like stars? (왜 행성은 별과 같을 수 없는가?)
저널	Nature
발행일	2004년 7월 29일
권/호	430/6999
페이지	509
DOI	10.1038/430509a

2. 역사

행성 과학의 역사는 고대 그리스 철학자 데모크리토스의 우주론에서 시작되었다고 할 수 있다.

근대에는 천문학에서 시작된 행성 연구를 통해 행성 과학이 발전하였다. 갈릴레오 갈릴레이는 목성의 위성, 달의 산, 토성의 고리를 처음으로 관측하여 행성 천문학의 선구자로 여겨진다.

2. 1. 고대 및 중세

데모크리토스는 히폴리토스에 의해 다음과 같이 언급되었다. ἄπειροι κόσμοι|아페이로이 코스모이|무한한 세계^grc는 크기가 다양하며, 어떤 세계에는 태양도 달도 없지만, 다른 세계에는 우리보다 더 큰 태양과 달이 있고, 또 다른 세계에는 더 많은 수의 태양과 달이 있다. 정돈된 세계 사이의 간격은 불균등하며, 어떤 곳은 더 크고 다른 곳은 작으며, 어떤 세계는 증가하고, 어떤 세계는 번성하고, 어떤 세계는 쇠퇴하며, 어떤 곳에서는 생겨나고 다른 곳에서는 가려진다. 그러나 그들은 서로 충돌하여 파괴된다. 그리고 어떤 정돈된 세계는 동물, 식물, 물이 없다.^[3]

2. 2. 근대

현대에 들어, 행성 과학은 천문학의 한 분야로 시작되었다. 갈릴레오 갈릴레이는 목성의 네 개의 가장 큰 위성을 발견하고, 달의 산을 관측했으며, 처음으로 토성의 고리를 관측하여,^[3] 행성 천문학의 선구자로 여겨진다. 1609년 갈릴레오의 달 산 연구는 외계 풍경 연구의 시작이기도 했다. 그의 관측은 "달은 확실히 매끄럽고 광택이 나는 표면을 가지고 있지 않다"는 것을 보여주며, 달과 다른 세계가 "지구의 표면과 똑같이 보일 수 있다"는 점을 시사했다.^[3]

망원경 제작과 광학적 해상도의 발전은 행성의 대기 및 표면 세부 사항을 점차 더 많이 식별할 수 있게 했다. 지구와 가까운 달은 초기에 가장 많이 연구되었으며, 기술 발전으로 더 자세한 달 지질학적 지식이 축적되었다. 이 과정에서 주요 도구는 천문 광학 망원경(전파 망원경)과 우주 탐사선이었다.

태양계는 현재 비교적 잘 연구되었으며, 행성계의 형성과 진화에 대한 전반적인 이해가 존재한다. 그러나 아직 해결되지 않은 많은 질문들이 남아있고,^[4] 현재 태양계를 탐사하고 있는 많은 행성간 우주 비행으로 인해 새로운 발견이 빠르게 이루어지고 있다.

2. 3. 현대

망원경 제작과 광학적 해상도의 발전은 점차 행성의 대기 및 표면 세부 사항을 더 많이 식별할 수 있게 했다. 달은 지구와의 근접성으로 인해 처음에는 가장 많이 연구되었으며, 항상 표면에 정교한 특징을 나타냈고, 기술적 개선으로 점차 더 자세한 달 지질학적 지식이 생성되었다. 이 과학적 과정에서 주요 도구는 천문 광학 망원경 (그리고 나중에는 전파 망원경)과 마침내 우주 탐사선과 같은 로봇 탐사 우주 탐사선이었다.^[4]

태양계는 현재 비교적 잘 연구되었으며, 이 행성계의 형성 및 진화에 대한 전반적인 이해가 존재한다. 그러나 많은 수의 해결되지 않은 질문들이 있으며, 현재 태양계를 우주 탐사하고 있는 많은 수의 행성간 우주 비행으로 인해 새로운 발견의 속도가 매우 빠르다. 특히 대한민국은 2022년 다누리를 성공적으로 발사하여 달 궤도 진입에 성공, 달 표면 관측 및 심우주 통신 기술을 확보하며 행성 과학 연구 역량을 강화했다.

3. 연구 분야

행성과학은 천체지질학, 대기 과학, 행성 해양학 등 다양한 분야를 통해 행성을 연구하는 학문이다. 관측, 이론, 실험 등 여러 방법을 사용하며, 다음과 같은 주요 연구 주제를 다룬다.^[16]

행성의 구조, 기원, 진화
각 행성의 유사성 및 특수성 비교
행성으로서의 지구 및 지구 표층 환경과 안정성
생명의 기원
행성계의 구조 및 진화
지구 외 행성 물질의 기원

오늘날 행성 과학의 가장 중요한 연구 주제 중 하나는 태양계의 성립 과정을 밝혀내는 것이다.^[16] 18세기 이마누엘 칸트와 피에르시몽 라플라스가 제안한 칸트-라플라스 성운설이 태양계 형성 이론의 시초였다.^[17] 1970년대 교토 대학의 하야시 츄시로와 하버드 대학교의 알 캐머런 그룹은 현대 물리학에 기반한 태양계 형성 이론을 제시했다.^[17] 현재는 하야시 이론을 계승한 이론이 가장 유력하며, 일본 연구자들이 주도하고 있다.^[18] 하야시 츄시로의 제자인 나카자와 키요시는 스승의 연구를 이어받아 행성 과학 분야에서 태양계 형성론 연구에 기여했다.

3. 1. 행성 천문학

행성 천문학은 관측 과학이자 이론 과학이다. 관측 연구자들은 주로 태양계의 소천체를 연구하는 데 주력하며, 광학 및 전파 망원경으로 관측하여 이들 천체의 모양, 자전, 표면 물질, 풍화 등 특성을 파악하고, 형성 및 진화의 역사를 이해하고자 한다.

이론 행성 천문학은 역학에 관한 학문으로, 천체역학의 원리를 태양계 및 외계 행성계에 적용한다. 외계 행성을 관측하고 물리적 특성을 규명하는 외계 행성학은 태양계 연구 외에 주요 연구 분야이다.

3. 2. 행성 지질학

행성 지질학은 행성과 위성의 표면 및 내부 구조를 연구하는 학문이다. 지구형 행성과 위성의 지질학적 과정을 탐구하며, 지구 근처의 천체인 달, 금성, 화성 등을 주요 연구 대상으로 한다.^[6]

행성 지질학은 다음과 같은 다양한 지표 현상을 연구한다.

연구 분야	설명
지형학	행성 표면의 특징과 형성 역사를 연구하고, 표면에 작용한 물리적 과정을 추론한다.^[7]
충돌구	다중 링 분지, 크레이터와 같은 충격 특징을 연구한다.^[7]
화산 활동	용암류, 균열, 열구와 같은 화산 및 구조적 특징을 연구한다.^[8]
빙하 작용	빙하 특징을 연구한다.^[7]
우주 풍화	미소 운석 폭격, 고에너지 입자 강하, 충격 가드닝 등 우주 환경에 의한 침식 효과를 연구한다. 예를 들어, 달 레골리스 표면의 얇은 먼지 덮개는 미소 운석 폭격의 결과이다.^[8]
수문학적 특징	물, 탄화수소, 암모니아 등 액체와 관련된 특징을 연구하며, 고대 채널, 고대 호수와 같은 고수문학적 특징도 포함한다.^[9]

행성 표면의 역사는 중첩의 법칙에 따라 특징을 위에서 아래로 매핑하여 해독할 수 있다. 예를 들어, 층서 매핑은 아폴로 계획 우주 비행사들이 달 임무에서 직면할 현장 지질학을 준비하는 데 사용되었다. 루나 오비터 프로그램이 촬영한 이미지에서 중첩된 시퀀스가 식별되었으며, 이는 달의 층서 기둥과 달의 지질도를 준비하는 데 사용되었다.

아폴로 계획을 통해 384kg의 달 표본이 수집되었고, 소련의 루나 계획 로봇도 달 토양 표본을 채취했다. 이 표본들은 지구 외 다른 태양계 천체의 조성을 가장 포괄적으로 기록하고 있다. 또한, 소행성대에서 기원한 다양한 유형의 운석들은 행성 분화된 천체의 거의 모든 부분을 포괄하며, 심지어 핵-맨틀 경계에서 온 운석(팔라사이트)도 존재한다.

최근 대한민국은 다누리를 발사하여 달 탐사 계획을 시작했다. 다누리는 달 표면을 고해상도로 촬영하고, 광물 지도를 작성하여 달 지질 연구에 새로운 지평을 열 것으로 기대된다.

3. 3. 행성 지구 물리학 및 우주 물리학

지구물리학 및 우주 물리학을 통해 행성의 중력장과 자기장과 같은 힘의 장을 연구한다.^[16]

우주선이 궤도를 돌 때 경험하는 가속도의 변화를 측정하여 행성의 중력장에 대한 세부 사항을 알 수 있다. 1970년대에 달의 바다 상공의 중력장 교란을 달 궤도선을 통해 측정하여 임브리움, 세레니타티스, 크리시움, 넥타리스 및 휴모룸 분지 아래에서 질량 집중, 매스콘이 발견되었다.

행성의 자기장이 충분히 강하면 태양풍과의 상호 작용으로 행성 주위에 자기권이 형성된다. 초기 우주 탐사선을 통해 지구 자기장의 대략적인 크기를 발견했는데, 이는 태양을 향해 약 10 지구 반경까지 확장된다. 태양풍은 하전 입자의 흐름으로, 지구 자기장을 따라 흘러가며 자기 꼬리 뒤쪽으로 수백 지구 반경 하류까지 이어진다. 자기권 내부에는 비교적 밀도가 높은 태양풍 입자 영역인 밴 앨런대가 있다.

행성 지구물리학은 지진학 및 구조물리학, 지구물리 유체 역학, 광물 물리학, 지구 역학, 수학적 지구물리학 및 지구물리 측량을 포함한다.

3. 4. 행성 대기 과학

대기는 고체 행성 표면과 더 높은 희박한 이온화 및 방사선 벨트 사이의 중요한 과도 영역이다. 모든 행성이 대기를 가지고 있는 것은 아니다. 대기의 존재는 행성의 질량과 태양과의 거리에 달려 있다. 너무 멀리 떨어져 있으면 대기가 얼어붙는다. 4개의 거대 가스 행성 외에도 4개의 지구형 행성 중 3개(지구, 금성, 화성)가 상당한 대기를 가지고 있다. 토성의 위성 타이탄과 해왕성의 위성 트리톤은 상당한 대기를 가지고 있다. 수성 주변에는 희박한 대기가 존재한다.

행성의 자전 속도의 영향은 대기 흐름과 해류에서 볼 수 있다. 우주에서 보면 이러한 특징은 구름 시스템의 띠와 소용돌이로 나타나며 특히 목성과 토성에서 잘 보인다.

3. 5. 행성 해양학

행성 해양학은 외계 행성 및 위성에 존재할 가능성이 있는 물, 메테인, 암모니아 등으로 이루어진 행성 해양을 연구하는 새로운 하위 전문 분야이다.^[1]

3. 6. 비교 행성학

행성 과학은 비교 방법을 자주 사용하여 연구 대상에 대한 더 큰 이해를 도모한다. 예를 들어 지구와 토성의 위성 타이탄의 밀도가 높은 대기를 비교하거나, 태양으로부터의 거리가 다른 외태양계 천체의 진화를 비교하거나, 지구형 행성의 표면 지형학을 비교하는 것이다.

가장 주요한 비교 대상은 지구이다. 지구는 접근하기 쉽고, 더 광범위한 측정이 가능하기 때문이다. 지구 유사 연구는 행성 지질학, 지형학, 대기 과학에서 흔히 사용된다.

지구 유사체 사용은 1886년 Gilbert에 의해 처음 기술되었다.^[8]

4. 주요 연구 주제

행성 과학의 주요 연구 주제는 다음과 같다.

행성의 구조, 기원, 진화: 행성이 어떻게 형성되고 진화했는지, 그리고 각 행성의 독특한 특징이 나타난 배경을 연구한다.
각 행성의 유사성·특수성의 비교: 행성 간의 공통점과 차이점을 비교 분석하여 행성계의 다양성을 이해한다.
행성으로서의 지구 및 지구 표층 환경과 그 안정성: 지구 환경 변화를 행성 과학적 관점에서 분석하고, 지구 환경이 얼마나 안정적인지 평가한다.
생명의 기원: 지구 생명체가 어떻게 탄생했는지 연구한다.
행성계의 구조·진화: 행성계가 어떻게 구성되고 변화해 왔는지 연구한다.
지구 외 행성 물질의 기원: 운석, 우주 먼지 등 지구 밖에서 온 물질의 기원과 성분을 분석하여 태양계 초기 역사와 행성 형성 과정을 밝힌다.

오늘날 행성 과학에서 가장 중요한 연구 주제는 태양계의 성립 과정을 모두 밝혀내는 것이다.^[16]

태양계 형성 이론은 18세기에 이마누엘 칸트와 피에르시몽 라플라스가 발표한 「칸트-라플라스 성운설」이 시초이다.^[17] 이후 1970년대에 교토 대학의 하야시 츄시로와 하버드 대학교의 알 캐머런을 중심으로 한 연구 그룹들이 가스 원반으로부터 태양계가 형성되었다는 이론을 제시했다.^[17] 이들의 이론은 현대 물리학에 기초하여 구축되었다는 점에서 성운설과 차이가 있다.^[17] 오늘날에는 하야시 츄시로의 이론을 계승한 것이 가장 유력한 태양계 형성론으로 인정받고 있으며, 일본 연구자들이 이 분야를 주도하고 있다.^[18] 하야시 츄시로의 제자인 나카자와 키요시는 행성 과학 분야에서 스승의 태양계 형성론 연구를 이어가고 있다.

태양계 내 천체 생성과 진화에 대한 가설을 세울 때 어려운 점 중 하나는 실험실에서 분석할 수 있는 표본이 부족하다는 것이다. 하지만 달, 소행성, 화성에서 직접 채취하거나 운석 형태로 지구에 떨어진 표본들이 존재한다. 이 표본들은 지구 대기의 산화 작용과 생물권 침투로 인해 오염되기도 하지만, 남극에서 수집된 운석들은 비교적 온전한 상태를 유지하고 있다.

소행성대에서 기원한 다양한 유형의 운석들은 행성 분화된 천체의 거의 모든 부분을 보여준다. 심지어 핵-맨틀 경계에서 온 운석(팔라사이트)도 있다. 지구화학과 관측 천문학의 조합을 통해 HED 운석이 주 벨트의 특정 소행성인 4 베스타에서 기원했다는 것을 알 수 있다.

화성 운석은 화성 지각의 지구화학적 조성을 밝히는 데 중요한 역할을 하지만, 기원 지점에 대한 정보가 부족하여 화성 암권 진화 이론을 더 자세히 제약하지는 못한다.^[10] 2013년 7월 24일 현재, 지구에서 발견된 화성 운석 표본은 65개이며, 대부분 남극이나 사하라 사막에서 발견되었다.

아폴로 계획을 통해 384kg의 달 표본이 지구로 운송되었고, 소련의 루나 계획 로봇들도 달 토양 표본을 채취했다. 이 표본들은 지구 외 다른 태양계 천체의 조성을 가장 포괄적으로 보여준다. 최근 달 운석의 수가 빠르게 증가하고 있으며,^[11] 2008년 4월 현재 공식적으로 달 운석으로 분류된 운석은 54개이다. 이 중 11개는 미국, 6개는 일본의 남극 운석 수집품이며, 나머지 37개는 아프리카, 호주, 중동의 뜨거운 사막 지역에서 발견되었다. 확인된 달 운석의 총 질량은 약 50kg이다.

5. 전문 학술 활동

행성 과학 분야의 전문적인 학술 활동은 다양한 형태로 이루어진다.

구분	내용
주요 학술지
주요 전문 기관
정부 우주 기관
주요 학술 회의

이 외에도 특정 분야를 다루는 소규모 워크숍 및 컨퍼런스가 연중 전 세계적으로 개최된다.

5. 1. 학술지

지구 및 행성 과학 연감(Annual Review of Earth and Planetary Sciences)
지구 및 행성 과학 편지(Earth and Planetary Science Letters)
지구, 달, 행성(Earth, Moon, and Planets)
지구화학 및 우주화학 행동(Geochimica et Cosmochimica Acta)
이카루스(Icarus)
지구물리 연구 저널 – 행성(Journal of Geophysical Research – Planets)
유성 및 행성 과학(Meteoritics and Planetary Science)
행성 및 우주 과학(Planetary and Space Science)
행성 과학 저널(The Planetary Science Journal)

5. 2. 전문 기관

미국 천문학회 행성 과학 분과(DPS)
미국 지구물리학 연합(AGU)
운석학회(Meteoritical Society)
유로플래닛(Europlanet)

5. 2. 1. 정부 우주 기관

캐나다 우주국(CSA)
중국 국가우주국(CNSA)
국립 우주 연구 센터^프랑스어(CNES)
독일 항공우주 센터 (DLR)
유럽 우주국(ESA)
인도 우주 연구 기구(ISRO)
이스라엘 우주국(ISA)
이탈리아 우주국
일본 우주항공연구개발기구(JAXA)
미국 항공우주국(NASA)
* JPL
* GSFC
* 에임스
국가우주센터(대만)
러시아 연방 우주국
영국 우주국(UKSA)

5. 3. 주요 학술 회의

달 및 행성 과학 컨퍼런스(LPSC)는 달 및 행성 연구소가 주최하며, 휴스턴에서 1970년부터 매년 3월에 열린다.
행성 과학 분과(DPS) 회의는 1970년부터 매년 열리며, 주로 미국 본토 내의 여러 장소에서 매년 10월경에 개최된다.
미국 지구물리학 연합(AGU) 연례 가을 회의는 매년 12월 샌프란시스코에서 열린다.
미국 지구물리학 연합(AGU) 공동 총회(다른 학회와 공동 주최)는 매년 4월에서 5월 사이에 전 세계 여러 지역에서 개최된다.
운석학회 연례 회의는 북반구 여름에 열리며, 보통 북미와 유럽을 번갈아 가며 개최된다.
유럽 행성 과학 회의(EPSC)는 매년 9월경 유럽 내 특정 장소에서 열린다.

특정 분야를 다루는 소규모 워크숍 및 컨퍼런스는 연중 전 세계적으로 개최된다.

6. 행성 과학과 허구 (SF)

프랭크 허버트의 1965년 SF 소설 듄에서 주요 조연 캐릭터인 리엣 카이네스는 가상의 행성 아라키스의 "제국 행성학자" 역할을 맡고 있으며, 이 직위는 아버지 파도트 카이네스로부터 물려받았다.^[12] 행성학자는 생태학자, 지질학자, 기상학자, 생물학자, 그리고 인간 사회학에 대한 기본적인 이해를 갖춘 인물로 묘사된다.^[12]^[13] 이들은 이러한 전문 지식을 활용하여 전체 행성을 연구한다.^[12]^[13] 듄 시리즈에서 행성학자들은 행성 자원을 이해하고 테라포밍 또는 기타 행성 규모의 공학 프로젝트를 계획하는 데 고용된다.^[12]^[13] 듄에 등장하는 이 가상의 직책은 행성 과학 자체에 대한 담론에 영향을 미쳤으며, 한 작가는 이를 관련 분야 내에서 "기준점"이라고 언급했다.^[14] 시빌 P. 자이칭거가 저술한 저널 네이처(Nature)의 한 출판물은 듄에 등장하는 가상의 역할에 대한 간략한 소개로 시작하며, 지구가 인간 활동을 관리하는 데 도움을 주기 위해 리엣 카이네스와 유사한 기술을 가진 개인을 임명하는 것을 고려해야 한다고 제안한다.^[15]

참조

_[1] 논문 Why can't planets be like stars? 2004-07-29
_[2] Digitized 9 May 2006 Philosophumena https://books.google[...] Society for promoting Christian knowledge 1921
_[3] 논문 Silent upon a peak in Darien 1994
_[4] 웹사이트 Ten Things I Wish We Really Knew In Planetary Science http://www.planetary[...] 2009-05-22
_[5] 간행물 Is Extraterrestrial Life Suppressed on Subsurface Ocean Worlds due to the Paucity of Bioessential Elements? https://iopscience.i[...] 2018-10
_[6] 웹사이트 Planetary Geology https://www.scienced[...] 2022-03-12
_[7] 서적 Encyclopedia of Planetary Landforms Springer 2015
_[8] 서적 Encyclopedia of Planetary Landforms Springer 2015
_[9] 서적 Inverted Channel Springer 2015
_[10] 웹사이트 UW – Laramie, Wyoming | University of Wyoming http://www.uwyo.edu
_[11] 문서 curator.jsc.nasa.gov/antmet/lmc/lmcintro.pdf
_[12] 서적 Dune Chilton Books 1965
_[13] 서적 Dune: House Atreides Spectra 2000-08-01
_[14] 서적 Practices of Speculation Chapter 2: The Working Planetologist Transcript Verlag 2010
_[15] 논문 A sustainable planet needs scientists to think ahead 2020-12-01
_[16] 문서 NEWTON SPECIAL 惑星科学の最前線
_[17] 문서 NEWTON SPECIAL 惑星科学の最前線
_[18] 문서 NEWTON SPECIAL 惑星科学の最前線
_[19] 저널 http://www.nature.co[...] 2004-07-29

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