수성

1. 개요

수성은 고대부터 알려진 태양계 행성으로, 태양에 가장 가깝고 표면은 암석으로 이루어져 있다. 바빌로니아인들은 이 행성을 나부(Nabu)로 불렀으며, 고대 그리스인들은 아침의 별을 아폴론, 저녁의 별을 헤르메스로 불렀으나 동일한 천체임을 인지했다. 로마인들은 민첩한 신 메르쿠리우스의 이름을 따서 명명했으며, 이는 영어 Mercury의 어원이 되었다. 수성은 태양계 행성 중 가장 작은 반지름을 가지며, 높은 밀도로 인해 내부 핵의 크기가 크고 철 함량이 풍부하다는 것을 알 수 있다. 수성은 3:2 궤도 공명 상태로 2번 공전하는 동안 3번 자전하며, 궤도 이심률이 가장 크고 자전축 기울기는 거의 0도에 가깝다. 최초의 탐사선인 매리너 10호는 수성 표면의 45% 미만을 지도화했으며, 메신저는 수성의 밀도, 지질학, 자기장 등을 연구했다. 베피콜롬보는 수성 궤도를 돌며 탐사를 진행 중이며, 미래에는 태양의 진화로 인해 수성이 태양에 흡수될 가능성이 있다.

2. 역사

수성은 고대부터 알려진 행성 중 하나이다. 가장 오래된 관측 기록은 기원전 14세기경 아시리아인들이 남긴 물.아핀 석판에서 찾을 수 있는데, 여기에는 수성이 '점프하는 행성'이라고 쐐기문자로 기록되어 있다.

기원전 1세기 바빌로니아에서는 수성을 나부라고 불렀다. 기원전 7세기 고대 그리스에서는 Στίλβων(스틸본, 우아한 것) 또는 Ἑρμάων(헤르마온, 밸리스트)라고 불렀다. 헤시오도스의 영향으로 아침 하늘의 수성은 아폴론, 저녁 하늘의 수성은 헤르메스라고 불렀으나, 기원전 4세기경 그리스 천문학자들은 이 두 천체가 같다는 것을 알게 되었다. 로마에서는 다른 행성보다 빨리 천구를 가로지르는 수성을 머큐리라고 불렀다.

고대 중국에서는 수성을 '진성(辰星)'이라 불렀으며, 이는 오행과 관련이 있다. 현대 중국, 한국, 일본, 베트남 문화권에서는 오행을 기반으로 수성을 "물의 별"(水星^중국어)이라고 부른다. 인도 신화에서는 수성을 수요일을 관장하는 부다와 동일시했다. 북유럽 신화의 오딘 역시 수성 및 수요일과 관련이 있다. 마야 문명에서는 수성을 저승과 이승을 오가는 전령의 의미로 올빼미라고 불렀다.

이슬람 천문학에서는 11세기 알 안달루스의 천문학자 아르자헬이 수성의 궤도가 타원이라고 설명했지만, 인정받지 못했다. 12세기 이븐 밧자는 두 행성이 태양을 가로질러 가는 것을 관측했다.

15세기 인도의 케랄라 대학 천문학자 닐라칸타 소마야지는 부분적인 지동설을 주장했다.

2.1. 형성과 역사

수성은 태양이 생겨나고 남은 가스와 먼지로 이루어진 원반 모양의 ‘태양 성운’에서 생성되었다고 여겨진다. 현재 인정받는 행성 생성 이론은 강착(降着) 이론이다. 이 이론에 따르면 행성들은 중심부의 원시별 주위를 도는 먼지 알갱이들이 뭉치면서 생겨났다. 이 알갱이들은 직접 서로 충돌하면서 지름이 1km~10km에 이르는 미행성으로 자라났다. 이 미행성은 작은 천체를 빨아들이면서 수백만 년에 걸쳐 매년 15cm 정도씩 지름이 커졌다.

태양과 가까운 지역(4AU 이내)은 온도가 높아서 물이나 메테인과 같은 휘발성 분자들이 압축될 수 없었기 때문에, 여기서 생겨난 미행성들은 금속류(철, 니켈, 알루미늄) 및 규산염 암석 등과 같이 녹는점이 높은 물질로만 이루어지게 되었다. 이런 암석 천체는 종국적으로 수성과 함께 금성, 지구, 화성과 같은 지구형 행성이 되었다. 지구형 행성을 이루는 물질은 우주에서 매우 희귀한 존재이기 때문에(성운 질량의 0.6%에 불과), 지구형 행성은 크게 자라날 수 없었다. 아기 암석 행성은 현재 지구 질량의 약 10% 수준까지 자랐고, 태양이 생성된 후 약 10만 년 동안 물질을 끌어모으는 것을 멈췄다. 이후 이들은 충돌하고 뭉쳐지는 과정을 다시 시작했는데, 이 충돌 과정은 약 1억 년 동안 지속되었다. 이들 원시 행성은 서로 중력으로 영향을 미쳤을 것으로 보이며, 각자의 공전 궤도를 끌어당기면서 서로 충돌했고, 지금의 크기로 자라나게 된다. 이 충돌 과정 중 수성을 강타한 충돌은 수성의 외포층을 날려 보냈다.

2.2. 형성 이후

강착(降着) 이론에 따르면 행성들은 중심부의 원시별 주위를 도는 먼지 알갱이들이 뭉치면서 생겨났다. 이 알갱이들은 직접 서로 충돌하면서 지름이 1~10킬로미터에 이르는 천체, 곧 미행성으로 자라났다. 이 미행성은 작은 천체를 빨아들이면서 수백만 년에 걸쳐 매년 15cm 정도씩 지름이 커졌다.

태양과 가까운 지역(4AU 이내)은 온도가 높아서 물이나 메테인과 같은 휘발성 분자들이 압축될 수 없었기 때문에, 여기서 생겨난 미행성들은 금속류(철, 니켈, 알루미늄) 및 규산염 암석 등과 같이 녹는점이 높은 물질로만 이루어지게 되었다. 이런 암석 천체는 종국적으로 수성과 함께 금성, 지구, 화성과 같은 지구형 행성이 되었다.

아기 암석 행성은 현 지구 질량 약 10퍼센트 수준까지 자랐고, 태양 생성 후 약 10만 년 동안 물질을 끌어모으는 것을 멈췄다. 이후 이들은 충돌하고 뭉쳐지는 과정을 다시 시작했는데, 이 충돌 과정은 약 1억 년 동안 지속되었다. 이들 원시 행성은 서로 중력으로 영향을 미쳤을 것으로 보이며, 각자의 공전 궤도를 끌어당기면서 서로 충돌했고, 지금의 크기로 자라나게 된다. 이 충돌 과정 중 수성을 강타한 충돌은 수성의 외포층을 날려 보냈다.

지금으로부터 40억 년 전(태양계가 생겨나고 5~6억 년 뒤) 후기 대폭격이 있었는데 수성 표면에 있는 많은 충돌구(운석 구덩이, 크레이터)는 이때 생겼다.

3. 구조

수성은 지구형 행성 중 하나로, 표면은 암석으로 이루어져 있다. 태양계 행성들 중 가장 반지름이 작지만, 밀도는 지구 다음으로 높다. 수성의 밀도는 지구보다 약간 낮지만, 지구는 자체 중력으로 내부가 압축되어 있기 때문에, 압축되지 않은 상태에서는 수성의 밀도가 더 높다.

수성의 밀도를 통해 내부 구조를 추측할 수 있는데, 수성의 큰 밀도는 내부 핵 크기가 크고, 핵에 포함된 철 함량이 풍부하다는 것을 의미한다. 지질학자들은 수성의 핵이 전체 부피의 42%를 차지할 것으로 추정하며, 최근 연구에 따르면 수성의 핵은 용융 상태이다.

중심핵 바깥쪽에는 두께가 600km인 맨틀이 존재한다. 과학자들은 수성 생성 초기 큰 천체와의 충돌로 인해 원래 존재했던 맨틀 상당량이 날아가 지금처럼 얇은 맨틀만 남았을 것이라고 추정한다. 매리너 10호 자료와 지구에서의 관측 결과, 수성의 지각 두께는 약 100km–300km로 밝혀졌다. 수성 표면에는 수많은 좁은 계곡들이 있는데, 이는 지각이 식으면서 핵과 맨틀이 수축하면서 생겨난 것으로 보인다.

수성 핵에 철이 다른 태양계 행성보다 많이 포함되었다는 여러 이론이 제시되었다. 그중 널리 인정되는 세 가지 이론은 다음과 같다.

* 원래 수성은 지금보다 질량이 2.25배 컸지만, 초기 미행성과의 충돌로 지각과 맨틀 상당량이 날아갔다는 이론.
* 원시 태양의 열기로 인해 수성 표면이 증발했다는 이론.
* 태양 성운에서 수성이 강착 단계에 있을 때 가벼운 입자를 끌어당겼다는 이론.

메신저와 베피콜롬보 탐사선은 이러한 이론들을 검증할 기회를 제공할 것이다.

3.1. 내부 구조

수성은 규산염 지각과 맨틀, 그리고 금속성 핵으로 구성되어 있다. 지구형 행성 중 하나인 수성은 암석으로 이루어져 있으며, 태양계 행성 중 가장 반지름이 작다. 구체적인 크기는 2439.7km이다. 수성은 질량의 약 70%는 금속, 나머지 30%는 규산염 물질로 이루어져 있다.

수성의 밀도는 5.427g/cm3로, 지구의 5.515g/cm3 다음으로 높다. 그러나 지구는 자체 중력 때문에 내부가 더 압축되어 있어, 압축되지 않은 상태에서는 수성의 밀도(5.3g/cm3)가 지구(4.4g/cm3)보다 높다. 이는 수성이 태양계에서 가장 밀도가 높은 천체임을 보여준다.

수성의 높은 밀도는 핵의 크기가 크고 철 함량이 풍부하다는 것을 의미한다. 지질학자들은 수성의 핵이 전체 부피의 약 57%를 차지한다고 추정하며 (지구는 17%), 최근 연구에서는 수성의 핵이 용융 상태라는 것이 밝혀졌다. 더 나아가, 2019년 연구에서는 핵 중심에 직경 2000km에 달하는 고체 핵이 존재한다는 것이 밝혀졌다.

중심핵 바깥에는 두께 600km의 맨틀이 존재한다. 과학자들은 수성 생성 초기에 거대한 천체가 충돌하여 원래 있던 맨틀 상당량이 날아가고 지금처럼 얇은 맨틀만 남았을 것이라고 추정한다.

매리너 10호와 메신저 탐사선 자료에 따르면 수성의 지각 두께는 약 100km – 300km이다. 수성 표면에는 수백 km 길이의 좁은 계곡들이 있는데, 이는 지각이 식으면서 핵과 맨틀이 수축하여 생겨난 것으로 보인다.

수성 핵에 철이 다른 행성보다 많다는 것을 설명하기 위해 여러 이론이 제시되었다. 가장 널리 인정되는 세 가지 이론은 다음과 같다.

* 첫째, 원래 수성은 지금보다 2.25배 컸으며, 콘드라이트 운석과 비슷한 규산염 및 철질 구조였다. 그러나 태양계 형성 초기에 거대한 미행성과 충돌하여 원시 수성의 지각과 맨틀 상당량이 우주로 날아가고, 상대적으로 무거운 물질만 남아 현재와 같은 형태가 되었다는 이론이다.
* 둘째, 원시 태양이 내뿜었던 열기로 인해 수성 표면이 증발했다는 이론이다. 원시 태양이 수축하면서 수성 근처 온도가 2,500 - 3,500 K (심지어 10,000 K 이상)까지 상승했고, 이 때문에 수성 표면 대부분이 '암석 증기' 형태로 변해 항성풍에 실려 날아갔다는 것이다.
* 셋째, 태양 성운에서 수성이 강착 단계에 있을 때 가벼운 입자들을 끌어당겼다는 이론이다.

이 이론들은 앞으로 메신저와 베피콜롬보 탐사선이 검증할 예정이다.

3.2. 표면 지질학

수성의 표면은 전체적으로 달과 매우 유사하며, 달의 바다와 비슷한 평원과 수십억 년 동안 지질학적 활동이 없었던 커다란 충돌구들로 덮여 있다. 수성의 지질에 대한 정보는 대부분 매리너 10호의 관측과 지구에서의 관측을 통해 얻어졌지만, 최근 메신저 탐사로 더 많은 정보가 밝혀졌다. 예를 들어, 과학자들은 "거미(the spider)"라고 부르는 특이한 형태의 퍼진 충돌구를 발견했다.

수성 표면은 울퉁불퉁하여 지역마다 알베도가 다르다. 링클 리지 외에도 고원, 산, 평원, 절벽, 계곡 등 다양한 지형이 존재한다.

수성은 46억 년 전부터 38억 년 전까지 혜성과 소행성의 충돌이 잦았던 후기 대폭격기를 겪었다. 이 기간 동안 수성은 전체적으로 폭격을 받아 충돌구가 급격히 늘어났는데, 이는 대기가 희박하여 충돌체의 속도가 줄어들지 않았기 때문이다. 이 시기에는 화산 활동도 활발했으며, 칼로리스 분지는 마그마로 가득 차 있었다. 2008년 10월 메신저가 전송한 자료는 수성 표면이 화성이나 달 표면보다 더 이질적이라는 것을 보여주었다.

수성의 충돌구는 작은 구멍부터 수천 킬로미터에 달하는 충돌 분지까지 다양하며, 생성 시기와 풍화 정도에 따라 다양한 형태를 보인다. 수성과 달의 충돌구는 미묘하게 다른데, 달 충돌구는 수성보다 분출물이 적다. 이는 수성의 표면 중력이 달보다 강하다는 것을 의미한다.

수성 표면에서 가장 큰 충돌구는 직경 1550km의 칼로리스 분지이다. 분지에 가해진 충격은 매우 강해서 용암이 분출하고 높이 2km의 동심원 고리가 충돌구를 둘러쌌다. 분지 반대편에는 "기묘한 지역(Weird Terrain)"이라 불리는 독특한 언덕 지형이 있는데, 이는 충돌로 인한 충격파 또는 분출물의 집중으로 생성되었다는 두 가지 가설이 있다.

수성에서는 15개의 충돌 분지가 확인되었다. 폭 400km의 톨스토이 분지와 625km의 베토벤 분지가 주목할 만하다. 수성 표면은 태양풍과 미세 유성우로 인한 우주 풍화 작용을 받는다.

수성에는 지질학적으로 구분되는 두 가지 평원 지역이 있다.

* 분화구 사이 지역의 완만하게 구릉진 평원은 수성에서 가장 오래된 표면으로, 심하게 분화구가 많은 지형보다 오래되었다.
* 평탄 평원은 다양한 크기의 함몰 지형을 채우고 있는 넓게 펼쳐진 지역으로, 달의 마리아와 매우 흡사하다. 수성의 모든 평탄 평원은 칼로리스 분지보다 훨씬 나중에 형성되었다.

수성 표면에는 수백 킬로미터에 이르는 좁은 산맥들이 많이 존재하는데, 이는 지각이 굳어진 후 수성의 핵과 맨틀이 냉각, 수축하면서 형성된 것으로 보인다.

3.3. 표면과 대기권

수성은 대기가 거의 없어 표면 온도 변화가 매우 심하다. 평균 온도는 약 452K(179°C)이지만, 밤낮의 온도 차는 100K에서 700K에 이른다. 극 지역의 깊은 분화구에는 햇빛이 직접 닿지 않아 온도가 102K 이하로 유지되는 곳이 있는데, 이곳에는 얼음이 존재할 가능성이 있다.

수성의 외기권은 매우 희박하며, 수소, 헬륨, 산소, 나트륨, 칼슘, 칼륨 등 다양한 원소를 포함한다. 이들은 태양풍, 방사성 붕괴, 미소 유성체 충돌 등 다양한 요인에 의해 생성된다.

수성의 표면 온도는 100K에서 700K 사이이다. 대기가 없고 적도와 극 사이의 온도 기울기가 가파르기 때문에 극에서는 180K를 넘지 않는다. 근일점에서 적도 태양 아래 지점은 위도 0°W 또는 180°W에 위치하며, 약 700K의 온도에 이른다. 원일점 동안에는 90° 또는 270°W에서 발생하며 550K에 불과하다. 행성의 어두운 쪽에서는 온도가 평균 110K이다. 수성 표면의 태양광 강도는 태양 상수(1,370 W·m⁻²)의 4.59배에서 10.61배 범위이다.

수성 표면의 낮 온도는 일반적으로 매우 높지만, 관측 결과 수성에는 얼음(얼어붙은 물)이 존재한다는 것을 강력하게 시사한다. 극지방의 깊은 분화구 바닥은 직사광선에 노출되지 않으며, 그곳의 온도는 전 세계 평균보다 훨씬 낮은 102K 이하로 유지된다. 이는 얼음이 축적될 수 있는 냉각 트랩을 만든다. 물 얼음은 레이더를 강하게 반사하며, 1990년대 초 70미터 골드스톤 태양계 레이더와 VLA에 의한 관측 결과 극지방 근처에 높은 레이더 반사 영역이 있음을 보여주었다. 얼음이 이러한 반사 영역의 유일한 원인은 아니었지만, 천문학자들은 그것이 가장 그럴듯한 설명이라고 생각했다. 물 얼음의 존재는 메신저(MESSENGER)호의 북극 분화구 이미지를 사용하여 확인되었다.

얼음 분화구 지역에는 약 10¹⁴–10¹⁵ kg의 얼음이 있는 것으로 추산되며, 승화를 억제하는 레골리스 층으로 덮여 있을 수 있다. 지구의 남극 빙상의 질량은 약 4 × 10¹⁸ kg이며, 화성의 남극 극관에는 약 10¹⁶ kg의 물이 들어 있다. 수성의 얼음 기원은 아직 알려지지 않았지만, 가장 가능성이 높은 두 가지 원천은 행성 내부에서 물이 탈기되는 것과 혜성의 충돌에 의한 퇴적이다.

수성은 너무 작고 뜨거워서 중력이 오랫동안 유의미한 대기를 유지할 수 없다. 수성은 약 0.5 nPa(0.005 피코바) 미만의 표면 압력에서 미약한 표면 경계 외기권을 가지고 있다. 여기에는 수소, 헬륨, 산소, 나트륨, 칼슘, 칼륨, 마그네슘, 규소 및 수산화물 등이 포함된다. 이 외기권은 안정적이지 않다. 원자는 지속적으로 손실되고 다양한 원천에서 보충된다. 수소 원자와 헬륨 원자는 아마도 태양풍에서 나와 수성의 자기권으로 확산한 다음 우주로 다시 빠져나갈 것이다. 수성 지각 내부의 방사성 붕괴는 헬륨뿐만 아니라 나트륨과 칼륨의 또 다른 원천이다. 수증기는 혜성이 표면에 충돌하는 것, 스퍼터링이 태양풍의 수소와 암석의 산소로 물을 생성하는 것, 그리고 영구적으로 그늘진 극지방 분화구의 물 얼음 저장소에서 승화되는 것과 같은 과정의 조합에 의해 방출된다. O⁺, OH^- 및 H₃O⁺과 같은 다량의 물 관련 이온이 검출된 것은 놀라운 일이었다. 수성의 우주 환경에서 검출된 이러한 이온의 양으로 인해 과학자들은 이러한 분자가 태양풍에 의해 표면이나 외기권에서 폭발적으로 방출되었다고 추측한다.

나트륨, 칼륨 및 칼슘은 1980년대~1990년대에 대기에서 발견되었으며, 주로 미소 운석의 충돌로 인해 표면 암석이 증발된 결과로 생각된다. 2008년 메신저(MESSENGER)호에 의해 마그네슘이 발견되었다. 연구에 따르면 때때로 나트륨 방출은 행성의 자기극에 해당하는 지점에 국한된다. 이것은 자기권과 행성 표면 사이의 상호 작용을 나타낼 것이다.

나사(NASA)에 따르면 수성은 지구와 같은 생명체에 적합한 행성이 아니다. 수성은 층상 대기 대신 표면 경계 외기권을 가지고 있으며, 극단적인 온도와 높은 태양 복사를 가지고 있다. 어떤 생물도 그러한 조건을 견딜 수 없을 것이다.

3.4. 자기장과 자기권

수성은 크기가 작고 자전 주기가 59일로 느리지만, 지구 자기장의 약 1.1%에 해당하는 강한 자기장을 가지고 있다. 수성 적도에서 자기장 세기는 300T이다. 수성의 자기장은 지구처럼 쌍극자 형태이며, 자전축과 거의 일치한다. 매리너 10호와 메신저 탐사선의 측정 결과, 자기장의 형태와 세기는 안정적인 것으로 나타났다.

수성의 자기장은 다이너모 효과로 발생하는 것으로 보이는데, 이는 핵의 순환 운동으로 유도된다. 수성의 큰 궤도이심률에 따른 강한 기조력은 다이너모 효과에 필요한 액체 상태의 핵을 유지하는 데 기여한다.

수성 자기장은 행성 주위의 태양풍을 막아 자기권을 형성하지만, 매우 희박하여 행성 표면의 우주 풍화 현상을 완전히 막지는 못한다. 매리너 10호는 밤 지역 자기장에서 저에너지 플라스마를, 자기장의 꼬리(magnetotail)에서 고에너지 입자 폭발을 감지했다.

2008년 10월 6일, 메신저는 두 번째 스윙 바이 때 "구멍난" 자기장과 자기 "토네이도"를 발견했다. 폭이 800km인 이 "토네이도"는 행성 반지름의 1/3을 차지하며, 자기장이 태양풍과 상호작용하며 형성된다. 태양풍이 수성 표면에 작용하면, 유입된 자기장은 태양풍과 함께 소용돌이 형태로 말려 올라간다. 이를 빛다발 현상이라 하며, 수성 표면을 직접 강타하는 태양풍으로 자기 차폐 현상의 "열린 창"을 만든다.

행성 간 자기장 연결 과정인 자기 재결합은 지구에서도 발생하지만, 메신저 관측 결과 수성에서 10배 더 빠르게 나타났다. 수성의 재결합률이 지구의 1/3인 것은 태양에 더 가깝기 때문이다.

4. 궤도와 회전

수성의 궤도 이심율은 약 0.21로 태양계 행성 중 가장 크며, 근일점은 약 0.31 AU(4600만 km), 원일점은 약 0.47 AU(7000만 km)이다. 수성이 이 궤도를 공전하는 데는 약 88일이 걸린다. 오른쪽 그림은 같은 긴반지름일 때 수성의 현 궤도와 원 궤도를 비교한 것이다. 5일 간격으로 표시되어 있으며, 근일점 근처에서 공전 속도가 훨씬 빠르다.

수성 궤도는 지구 궤도(황도)에 대해 약 7도 기울어져 있다. 이 때문에 수성 일면통과 현상은 수성이 황도면을 통과할 때, 즉 지구와 태양 사이에 위치할 때만 일어나는데, 평균 7년에 한 번 관측 가능하다.

수성의 자전축 기울기는 0.027°로 거의 0°에 가깝다. 이는 두 번째로 작은 목성(3.1°)보다 훨씬 작은 수치이다.

수성 표면의 특정 위치에서는 태양이 멈췄다가 역행하는 것처럼 보이는 현상을 관찰할 수 있다. 이는 근일점 근처에서 수성의 공전 속도와 각속도가 같아지기 때문이다.

4.1. 궤도 공명

수성은 궤도 공명 상태로, 태양 주위를 2번 공전하는 동안 3번 자전한다. 이 때문에 수성의 태양일은 약 176일, 항성일은 약 58.7일이다.

1965년 이전에는 수성이 조석 고정 상태로, 항상 태양과 같은 면을 마주하고 있다고 생각했지만, 레이다 관측을 통해 3:2 궤도 공명을 한다는 것이 밝혀졌다. 이는 수성이 관측하기 가장 좋은 위치에 있을 때마다 항상 궤도 공명이 이루어지는 곳 근처에 위치하여 같은 면만 보였기 때문인데, 수성의 자전 주기가 지구에 대한 회합 주기의 절반이었기 때문이다.

수성의 궤도 이심률은 0.21로 태양계 행성 중 가장 크다. 이러한 큰 궤도 이심률은 수성의 3:2 궤도 공명을 안정적으로 유지시킨다. 궤도 이심률이 0.45 이상으로 변하는 시뮬레이션 결과, 다른 행성과의 섭동이 원인으로 나타났다. 수치 시뮬레이션에 따르면, 수성 궤도 이심률이 증가하면 목성과의 궤도 공명으로 인해 50억 년 안에 금성과 충돌할 수 있다.

4.2. 근일점 이동

수성의 궤도는 100년 당 약 5600 각초만큼 근일점이 이동한다. 뉴턴 역학에 따르면 100년에 5557 각초여야 하는데, 20세기 초 일반 상대성 이론이 등장하기 전까지는 이 43 각초의 차이를 설명할 방법이 없었다. 1859년, 프랑스의 수학자이자 천문학자인 르베리에(Urbain Le Verrier)는 태양 주위를 도는 수성 궤도의 느린 세차 운동이 뉴턴 역학과 알려진 행성들의 섭동으로는 완전히 설명할 수 없다고 보고했다.

관측된 수성의 근일점 이동은 지구를 기준으로 1세기당 5,600각초(1.5556°) 이다. 다른 모든 행성의 영향과 태양의 편평도로 인한 1세기당 0.0254 각초를 고려한 뉴턴 역학은 지구를 기준으로 1세기당 5,557 각초(1.5436°)의 세차 운동을 예측한다.

이 뉴턴 역학으로는 설명할 수 없었던 43각초는, 후에 아인슈타인의 일반 상대성이론에 의해 “태양의 중력에 의해 시공간이 왜곡된 결과”로 설명되었다. 일반 상대성이론에 의한 계산값이 오차의 범위 내에서 관측값 43각초와 매우 잘 일치했던 것이다. 20세기 초, 아인슈타인(Albert Einstein)의 일반 상대성 이론은 시공간의 곡률에 의해 매개되는 중력을 공식화함으로써 관측된 세차 운동에 대한 설명을 제공했다. 그 효과는 미미하다. 수성의 경우 1세기당 43.980 각초(또는 1년에 0.43각초, 혹은 1궤도 주기당 0.1035 각초)에 불과하다. 따라서 완전한 초과 회전에는 1,250만 회가 조금 넘는 궤도, 즉 300만 년이 걸린다. 비슷하지만 훨씬 작은 효과는 다른 태양계 천체에도 존재한다. 금성의 경우 1세기당 8.6247 각초, 지구의 경우 3.8387 각초, 화성의 경우 1.351 각초, 그리고 이카루스(1566 Icarus)의 경우 10.05 각초이다.

5. 좌표계

수성의 경도는 서쪽으로 갈수록 커지도록 설정되어 있다. 훈 칼 충돌구는 경도 측정의 기준점(서경 20°)이다.

1970년 국제천문연맹(IAU) 결의안은 수성의 경도를 서쪽 방향으로 양수로 측정할 것을 제안했다. 따라서 적도상에서 가장 더운 두 지점은 서경 0°와 서경 180°에 있으며, 적도상에서 가장 차가운 지점은 서경 90°와 서경 270°에 있다. 그러나 메신저(MESSENGER) 프로젝트는 동쪽을 양수로 하는 규약을 사용한다.

6. 수성의 관측

달처럼 수성도 위상 변화를 보인다. 내합일 때는 '삭'(보이지 않음), 외합일 때는 '망'(가득 참)이지만, 이 때는 태양과 너무 가까워 지구에서 볼 수 없다. 상현과 하현 위상은 각각 동방, 서방 최대 이각에 이르렀을 때(17.9°~27.8°) 나타난다. 수성은 서방 최대 이각에서는 일출 직전에, 동방 최대 이각에서는 일몰 직후에 잠시 관측 가능하다.

수성의 겉보기 등급은 -2.3 ~ 5.7 등급 사이에서 변하는데, 이는 천구 상에서 태양과 가까이 위치하기 때문이다. 수성은 태양과 가까워 관측이 어렵고, 새벽이나 여명 무렵에 짧은 시간 동안만 관측할 수 있다. 허블 우주 망원경은 안전상의 이유로 태양 근처를 촬영할 수 없어 수성을 관측할 수 없다.

수성은 지구 북반구보다 남반구에서 더 쉽게 관측할 수 있다. 남반구의 초가을에는 항상 서방 최대 이각에 위치하고, 늦겨울에는 항상 동방 최대 이각에 위치하기 때문이다. 황도와 수성이 이루는 각이 최대가 되기 때문에 아르헨티나, 뉴질랜드 같은 남반구 온대 지역에서는 태양이 뜨기 직전과 진 직후에 수성을 볼 수 있다. 반면, 북반구 온대 지역에서는 지평선 위로 조금밖에 떠오르지 않는다. 수성은 다른 행성이나 밝은 별처럼 일식 때도 관측할 수 있다.

수성은 보름달과 상현달 중간 단계에서 가장 밝게 보인다. 이때 수성은 초승달 모양일 때보다 멀리 있지만, 밝은 면이 거리로 인한 밝기 감소를 압도하기 때문이다.

7. 연구

수성은 고대부터 관측되어 왔으며, 다양한 문화권에서 신화와 전설 속에 등장한다.

물.아핀 석판에는 기원전 14세기 아시리아 천문학자들이 쐐기문자로 기록한 수성에 대한 내용이 남아있다. 기원전 1세기 바빌로니아에서는 수성을 나부라고 불렀다.

고대 그리스에서는 저녁 하늘의 수성을 헤르메스, 아침 하늘의 수성을 아폴론이라고 불렀으나, 기원전 4세기경에는 이 둘이 같은 천체임을 알게 되었다. 로마에서는 수성을 머큐리라고 불렀다.

프톨레마이오스는 행성의 일면통과 가능성을 언급하며 수성이 작고 드물어 관측이 어렵다고 했다.

고대 중국에서는 수성을 '진성(辰星)'이라 부르며 오행 중 물(水)과 관련지었다. 인도 신화의 부다, 북유럽 신화의 오딘도 수성과 관련이 있다. 마야 문명에서는 수성을 올빼미로 묘사했다.

고대 인도의 수르야 싯단타에는 수성의 반지름이 현재 측정값과 오차가 1%밖에 나지 않는 4,841km로 기록되어 있다. 알 안달루스의 천문학자 아르자헬은 수성 궤도가 타원이라고 설명했지만 인정받지 못했고, 이븐 밧자는 태양을 가로지르는 두 행성을 관측했다. 15세기 인도의 닐라칸타 소마야지는 부분적인 지동설을 주장했다.

7.1. 고대의 천문학자

수성에 대한 가장 오래된 관측 기록은 물.아핀 석판에서 찾을 수 있는데, 이 기록은 기원전 14세기 아시리아의 천문학자들이 작성한 것으로 추정된다. 아시리아인들은 쐐기문자를 사용하여 수성을 'Udu.Idim.Gu\u₄.Ud'라고 기록했다. 기원전 1세기 바빌로니아에서는 수성을 나부라고 불렀다.

고대 그리스에서는 수성을 저녁 하늘과 아침 하늘에서 다르게 불렀는데, 저녁에는 헤르메스, 아침에는 아폴론이라고 불렀다. 그러나 기원전 4세기경 그리스 천문학자들은 이 두 천체가 동일하다는 것을 알게 되었다. 로마에서는 수성을 머큐리라고 불렀는데, 이는 다른 행성보다 천구에서 빠르게 움직이는 모습 때문이었다.

프톨레마이오스는 《Hypothesis in planmenn》에서 행성의 일면통과 가능성을 언급하며, 수성이 너무 작거나 드물게 일어나기 때문에 관측하기 어렵다고 주장했다.

고대 중국에서는 수성을 '진성(辰星)'이라 불렀고, 오행 중 물(水)과 관련지었다. 인도 신화에서는 수성을 수요일을 주관하는 부다와 동일시했다. 북유럽 신화의 오딘 역시 수성 및 수요일과 관련이 깊다. 마야 문명에서는 수성을 저승과 이승을 오가는 전령으로 여겨 올빼미로 표현했다.

7.2. 지상에서의 망원경 관측

17세기 초, 갈릴레오 갈릴레이가 최초로 망원경을 이용해 수성을 관측했다. 하지만 그 당시 망원경으로는 수성의 자세한 모습을 관측하기는 어려웠다. 1631년, 피에르 가상디는 요하네스 케플러가 예측한 수성의 일면통과 현상을 망원경을 통해 최초로 관측했다. 1639년, 조반니 주피는 망원경으로 수성을 관측하여 수성이 금성이나 달처럼 위상이 변한다는 사실을 발견했다. 이는 수성이 태양 주위를 공전한다는 결정적인 증거가 되었다.

천문학에서 매우 드문 현상 중 하나는 엄폐 현상이다. 수성과 금성은 수 세기마다 서로 엄폐하는데, 1737년 5월 28일에 발생한 엄폐는 그리니치 천문대의 존 베비스가 관측한 유일한 역사적 기록이다. 다음 수성과 금성의 엄폐 현상은 2133년 12월 3일에 일어날 것이다.

수성은 다른 행성에 비해 정보가 부족하여 관측에 어려움이 많았다. 1800년, 요한 슈뢰터는 수성 표면을 관측하고 높이가 20km인 산을 발견하여 그림으로 남겼다. 프리드리히 베셀은 슈뢰터의 그림을 바탕으로 수성의 자전 주기와 자전축 기울기를 계산하여 각각 24시간, 70°라고 발표했지만, 이는 현재와는 매우 다른 수치이다. 1880년대, 조반니 스키아파렐리는 수성을 더 정밀하게 관측하여 자전 주기가 88일이며, 조석 고정 상태일 것이라고 주장했다. 수성 표면 지도 제작 노력은 계속되었고, 1934년 유게니우스 안토니아디는 자신의 관측 자료와 그림을 묶어 책으로 출판했다. 수성을 비롯한 다른 행성 지형의 이름은 그의 저서에서 따온 것이 많다.

1962년 6월, 소련 무선전자과학연구소(Institute of Radio-engineering and Electronics)의 과학자들은 최초로 수성에 레이다를 쏘아 관측을 시작했다. 3년 후, 고든 페텡길과 R. 다이스는 푸에르토리코 아레시보 천문대의 직경 300m 전파망원경을 이용하여 수성의 자전 주기를 관측한 결과, 약 59일이라는 결과가 나왔다. 이는 수성이 동주기 자전한다는 학설이 확고했음에도 불구하고 천문학자들에게 큰 놀라움을 안겨주었다. 이전에는 수성이 조석 고정 상태라면 어두운 면은 극도로 추울 것이라고 예측했지만, 전파 관측 결과 예상보다 온도가 높게 나타났기 때문이다. 이 때문에 천문학자들은 동주기 자전 이론을 포기하고 바람에 의해 열이 분산된다는 대체 이론을 제시하기도 했다.

이탈리아 천문학자 주세페 콜롬보는 수성의 자전 주기가 공전 주기의 2/3인 것을 주목하고, 수성의 자전과 공전이 1:1이 아닌 3:2 공명 상태에 있다고 제안했다. 이는 훗날 매리너 10호의 데이터를 통해 확인되었다. 이는 스키아파렐리와 안토니아디의 관측이 틀리지 않았음을 의미한다. 천문학자들은 매번 같은 지형을 보고 기록했지만, 수성의 관측면이 태양을 등질 때는 기록하지 않았던 것이다.

최근 기술 발전으로 지상 관측 능력이 향상되었다. 2000년, 윌슨 산 천문대의 1.5m 헤일 망원경으로 고해상도 사진을 촬영하여 매리너 10호가 촬영하지 못한 수성 지형 부분을 상세히 보여주었다. 이 사진은 칼로리스 분지보다 거대한 이중 고리 형태의 충돌 분지(비공식적으로 스키나카스 분지라고 불림)의 증거를 보여주었다. 수성 표면 대부분은 아레시보 천문대의 레이다 망원경을 이용한 자료를 바탕으로 5km 해상도로 지도화되었다.

7.3. 탐사선을 이용한 연구

수성 탐사는 궤도가 태양에 매우 가깝기 때문에 기술적으로 어려운 과제이다. 수성 탐사선은 태양의 중력권으로 들어가기 위해 지구 공전 속도(30 km/s)와 수성의 공전 속도(48 km/s) 차이로 인해 호만 전이 궤도 진입 시 큰 속도 변화가 필요하다.

태양의 퍼텐셜 우물에 떨어지면서 퍼텐셜 에너지가 운동 에너지로 변환되므로, 탐사선의 안전한 착륙이나 안정적인 궤도 진입은 로켓 모터에 전적으로 의존해야 한다. 수성의 얇은 대기 때문에 에어로브레이킹은 불가능하며, 수성 이동에는 태양계 탈출보다 더 많은 로켓 연료가 필요하다. 이러한 이유로 현재까지 수성을 방문한 탐사선은 적다. 솔라 세일은 수성 접근의 대안으로 제시되기도 한다.

최초의 수성 탐사선은 미국항공우주국(NASA)의 매리너 10호였으며, 이후 NASA의 메신저가 발사되었다. 현재는 유럽 우주국(ESA)과 일본 우주항공연구개발기구(JAXA)가 공동으로 베피콜롬보를 추진 중이다.

7.3.1. 매리너 10호

NASA의 매리너 10호는 1974년에 최초로 수성에 접근하여 표면 사진을 촬영하고 자기장을 감지했다. 금성의 중력을 이용하여 궤도 속도를 조정하는 스윙바이를 활용한 최초의 탐사선이기도 하다. 매리너 10호는 거대한 크레이터와 여러 종류의 지형을 보여주는 수성 표면의 확대 사진을 최초로 찍었다. 그러나 궤도 주기로 인해 밝은 면만 촬영하여, 수성 표면의 약 45%만 지도화되었다.

매리너 10호는 세 번에 걸쳐 수성에 접근했으며, 가장 가까이 접근했을 때는 327km 거리였다. 첫 번째 접근에서는 자기장을 감지했고, 두 번째 접근에서는 주로 사진을 촬영했으며, 세 번째 접근에서는 대규모 자기장 데이터를 얻었다. 이를 통해 수성의 자기장이 지구와 비슷하게 태양풍을 빗겨나가게 한다는 사실이 밝혀졌다.

1975년 3월 24일, 마지막 접근 8일 후 연료가 떨어진 매리너 10호는 작동을 멈췄다. 매리너 10호는 현재도 태양 주위를 돌고 있는 것으로 추정된다.

7.3.2. 메신저

미국항공우주국(NASA)의 두 번째 수성 탐사 계획인 메신저는 2004년 8월 3일에 케이프커내버럴 공군 기지에서 발사되었다. 2005년 8월과 2006년 10월에 각각 지구와 금성을 이용해 플라이바이를 하여 2007년 6월, 수성에 도달 할 수 있는 궤도에 진입했다. 이후 2008년 1월 14일, 2008년 10월 6일, 2009년 9월 29일에 수성을 이용한 플라이바이를 세차례 수행했다. 메신저는 2011년 3월에 수성 궤도에 진입했다.

메신저는 수성의 밀도, 지질학, 자기장의 근원, 핵 구조, 극점의 얼음 유무, 대기의 근원등 6가지의 중요한 임무를 맡았다. 이를 위해, 메신저는 고해상도 사진을 찍기 위한 촬영 장치, 분광기, 자기장 감지기를 비롯한 여러 가지 장비를 탑재하고 있다.

2012년 3월까지 메신저는 약 10만장의 수성 표면 사진을 지구로 전송했고, 2013년 3월 6일자로 수성 표면의 100% 촬영을 완료하였다. 이후 메신저는 수성 표면에 지나치게 가까워질 때마다 연료 재분사를 반복하며 임무를 계속 수행하였으며, 2014년 10월 마지막 재분사까지 2차례의 임무 연장 끝에, 동부 표준시 2015년 4월 30일 오후 3시 26분에 수성 표면에 충돌하였다. 충돌 직전 속력은 14,081 km/h 였으며 충돌로 인하여 지름 약 16미터의 새로운 충돌구가 만들어졌다. NASA는 2015년 5월 1일 메신저의 수성 표면 충돌과 함께 11년간 했던 임무 종료를 발표하였다.

7.3.3. 베피콜롬보

유럽 우주국(ESA)과 일본 우주항공연구개발기구(JAXA)가 공동으로 추진하는 수성 탐사 계획이다. 2018년 10월 20일에 발사되었으며, 2025년 12월에 수성 궤도에 진입할 예정이다.

베피콜롬보는 수성의 자기장과 표면을 탐사할 두 개의 탐사선으로 구성되어 있다. 하나는 수성의 지표를 매핑하고 다른 하나는 자기권을 연구한다. 자기장 탐사선(MMO)은 타원 궤도에, 행성 탐사선(MPO)은 원형 궤도에 진입할 것이다. 두 탐사선 모두 지구 시간으로 1년 동안 작동할 예정이다. 행성 탐사선(MPO)은 메신저와 유사한 분광기를 탑재하여 적외선, 자외선, X선, 감마선 등 다양한 파장에서 수성을 연구할 것이다. 베피콜롬보는 2021년 10월 1일부터 2023년 6월 19일까지 계획된 6회의 수성 근접 비행 중 3회를 수행했다.

8. 미래

태양계는 장기적으로 볼 때 행성 궤도가 변화할 가능성이 있는 혼돈 상태이다. 시간이 지날수록 궤도는 예측 불가능해지는데, 특히 수성의 궤도 변화는 내행성 궤도에 영향을 미쳐, 태양계에서 튕겨 나가거나 태양과 충돌할 가능성이 있다.

태양은 나이를 먹으면서 진화하는데, 이 과정에서 태양계에는 큰 변화가 일어난다. 태양은 수소를 거의 다 태우면 남아 있는 연료를 태우면서 내부 온도가 더 뜨거워지고, 연료를 태우는 속도는 더욱 빨라진다. 그 결과 태양은 10억 년마다 11퍼센트씩 밝아진다.

약 64억 년 후, 태양 중심핵에 있던 모든 수소 연료는 헬륨으로 치환된다. 중심핵은 수축하고, 바깥쪽 온도가 수소를 태울 정도로 높아진다. 이 과정에서 태양 외곽층은 크게 부풀어 적색 거성 단계에 접어들게 된다. 76억 년 후 태양 외곽층은 1.2천문단위(지금 태양 반지름의 256배)까지 팽창하며, 이때 수성은 태양으로 빨려 들어간다.

8.1. 장기적 안정성

태양계는 단기적으로는 안정되어 있지만, 장기적으로 볼 때 행성 궤도가 변화할 가능성이 있는 혼돈 상태이다. 각 행성은 고유한 리아프노프 시간을 가지며, 시간이 지날수록 궤도는 예측 불가능해진다.

이러한 혼돈은 이심률 변화를 통해 가장 크게 나타나는데, 일부 행성은 궤도가 더 찌그러지거나 원형에 가깝게 변할 수도 있다. 특히 수성의 궤도 변화는 내행성 궤도에 영향을 미쳐, 태양계에서 튕겨 나가거나 태양, 또는 지구와 같은 이웃 행성과 충돌할 가능성이 있다. 수성과 금성이 충돌하면, 두 행성의 질량을 합친 새로운 행성이 탄생할 수도 있다.

8.2. 태양의 진화

태양이 나이를 먹으면서 진화하면, 태양계에는 큰 변화가 일어날 것이다. 태양이 가지고 있던 수소를 거의 다 태우면, 남아 있는 연료를 태우면서 내부 온도는 더 뜨거워지며, 연료를 태우는 속도는 더욱 빨라진다. 그 결과 태양은 10억 년마다 11퍼센트씩 밝아진다.

약 64억 년 후, 태양 중심핵에 있던 모든 수소 연료는 헬륨으로 치환된다. 이제 중심핵은 더는 내리누르는 압력을 이기지 못해 수축하기 시작하며, 중심핵이 수축하면서 중심핵 바깥쪽의 온도가 수소를 태울 정도로 높아진다. 이 과정이 심화하면서 태양의 외곽층은 막대하게 부풀어 오르게 되며, 적색 거성으로 불리는 진화 단계에 접어들게 된다. 76억 년 후 태양의 외곽층은 1.2천문단위(지금 태양 반지름의 256배)까지 팽창할 것이다. 이 단계는 적색 거성 가지로, 팽창한 만큼 표면 온도는 2600켈빈까지 내려가서 붉은색으로 빛나게 되며, 밝기는 지금의 2700배까지 올라간다. 태양은 적색 거성 단계에서 항성풍 형태로 원래 지녔던 질량 10분의 1 (목성 질량의 110배)을 날려 보낸다. 태양은 적색 거성 단계에서 약 6억 년 머무를 것으로 추측된다. 이때가 되면 수성은 태양으로 빨려 들어가며, 명왕성과 카이퍼 벨트의 얼음까지 녹아버리며 생물권은 50AU까지 밀려나게 된다.

9. 신화로 보는 수성

수성은 수메르인 시대(기원전 3000년)부터 알려졌다. 옛 기록을 보면 바빌로니아인들이 수성을 관측했으며, 'gu-ad' 또는 'gu-utu'라고 불렀다. 고대 그리스인은 수성을 헤르메스와 연관시켰는데, 이는 수성이 태양계 행성 중 가장 안쪽에 있어 운행이 빠르기 때문에 발이 빠른 신의 이름을 붙인 것이다. 헤르메스는 고대 로마에서 메르쿠리우스와 동일시되었고, 영어로는 머큐리(Mercury)가 되었다.

헤르메스의 지팡이인 ‘케류케이온’(라틴어로 카두케우스, 두 마리 뱀이 얽힌 지팡이)은 현재 상업, 교통 등의 상징으로 사용된다. 점성술과 천문학에서는 예로부터 이를 도안화한 것을 수성의 기호(☿)로 사용했다. 연금술에서는 7가지 금속을 행성과 연결지었는데, 헤르메스/메르쿠리우스는 수은과 관련이 있었기 때문에 수성의 행성 기호가 수은의 기호로 쓰였다.