역행 운동
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1. 개요
역행 운동은 천문학에서 천체의 공전 또는 자전 방향이 일반적인 방향과 반대인 현상을 의미한다. 행성계가 형성될 때 물질은 한 방향으로 공전하지만, 외부 요인이나 충돌로 인해 역행 궤도를 갖는 천체가 나타날 수 있다. 태양계 내에서는 금성과 천왕성이 역행 자전을 하며, 일부 위성, 소행성, 혜성 등이 역행 궤도를 가진다. 외계 행성계에서도 역행 운동이 관측되며, 은하나 블랙홀에서도 역행 운동이 나타날 수 있다. 지구에서 관측되는 외행성의 겉보기 역행 운동은 지구의 공전 속도가 외행성보다 빠르기 때문에 발생하는 현상이다.
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| 역행 운동 | |
|---|---|
| 천문학적 방향 | |
| 유형 | 천문학적 방향 |
| 관련 천체 | 행성, 위성, 소행성, 혜성, 항성 |
| 기준 | 궤도 또는 자전 방향 |
| 반대 방향 | 순행 |
| 설명 | |
| 역행 | 궤도 또는 자전 방향이 기준 방향과 반대임 |
| 원인 | 천체 형성 과정에서의 중력적 상호작용 충돌 궤도 섭동 |
| 예시 | |
| 행성 | 금성, 천왕성 |
| 위성 | 트리톤, 포에베 |
| 소행성 | 20461 디오레트사 |
| 같이 보기 | |
| 관련 개념 | 자전 공전 겉보기 역행 운동 극궤도 황도 |
2. 천체계의 형성과 역행 운동
은하나 행성계는 성운 가설에 따라 회전하는 가스와 먼지 구름에서 형성된다. 이 과정에서 각운동량 보존 법칙에 따라 대부분의 천체는 한 방향으로 공전하고 자전하게 된다.[56][1] 2010년에 여러 뜨거운 목성들이 역행 궤도를 가지고 있다는 사실이 발견되면서, 행성계 형성 이론에 대한 의문이 제기되었다.[67][2]
이는 항성과 행성이 고립된 상태가 아닌 성단에서 형성되며, 원시 행성계 원반이 다른 항성의 원반과 충돌하거나 물질을 뺏어올 때 역행 운동이 발생할 수 있다는 설명으로 이어진다.[57][63][3][4] 항성계와 행성계는 별개로 형성되기 보다는 성단에서 만들어지는 경향이 있으며, 원시 행성계 원반은 다른 조밀한 성간매질과 충돌할 수 있다.
역행 운동은 같은 행성계 내 다른 천체와의 중력적 상호작용(코자이 메커니즘 참조), 다른 행성과의 충돌, 항성의 자기장과 행성 형성 원반 사이의 상호작용 등 다양한 원인으로 발생할 수 있다.[64][1][65][66][31][32]
알려진 뜨거운 목성 중 절반 이상이 모항성의 자전축과 어긋나 있으며, 그 중 6개는 역행 궤도를 가진다.[67][2] IRAS 16293-2422 원시별의 강착 원반은 반대 방향으로 회전하는 부분을 가지고 있는데, 이는 반대 방향으로 회전하는 강착 원반의 첫 번째 사례이다. 이 시스템에서 행성이 형성된다면, 내부 행성은 외부 행성과 반대 방향으로 공전할 가능성이 높다.[33]
WASP-17b는 별의 회전 방향과 반대로 공전하는 최초의 외계 행성이었고, 하루 뒤 HAT-P-7b가 두 번째로 발견되었다.[34][35]
행성 형성 과정에서 발생하는 거대 충돌은 자전축 기울기를 결정하는 주요 요인이다. 충돌은 3차원에서 어느 방향에서나 발생할 수 있어 순행 및 역행 자전이 모두 가능하다. 따라서 금성을 제외한 지구형 행성에서 흔히 보이는 작은 자전축 기울기를 가진 순행 자전은 일반적이지 않다.[37]
2. 1. 역행 궤도와 자전
천체의 궤도 경사각은 천체의 궤도가 순행인지 역행인지를 나타낸다. 태양계에서 행성의 궤도 경사는 지구 궤도의 평면인 황도면에서부터 측정된다.[58] 90도에서 180도 사이의 궤도 경사각을 갖는 천체는 역행 궤도를 가진다.천체의 자전축 기울기는 그 천체의 자전이 순행인지 역행인지를 나타낸다. 90도에서 180도 사이의 자전축 기울기를 갖는 천체는 궤도 방향과 반대로 자전한다.
역행 운동은 천체의 자전축이나 공전 궤도의 운동 방향으로 정의된다. 역행 운동을 나타낼 때는 수학적으로 두 가지 표현이 가능하다. 예를 들어, 어떤 행성의 적도면에 대해 10°의 기울기를 가지며, 궤도상에서 6시간 주기로 역행 공전하는 위성을 생각하면, 이 위성의 궤도 매개변수는 다음과 같이 표현할 수 있다.
- 궤도 경사각: 10°, 공전 주기: -6시간
- 궤도 경사각: 170°, 공전 주기: +6시간
전자는 궤도 경사각이 90°를 넘지 않도록 정의한 표현이며, 후자는 공전 주기가 음의 값을 갖지 않도록 정의한 표현이다. 궤도 경사각을 함께 표기하지 않는 경우에는, 천체의 역행 운동을 나타내기 위해 주기를 음의 값으로 쓸 수밖에 없으므로, 천체의 목록 등에서는 역행 천체의 주기를 음의 값으로 쓰는 경우가 많다.
금성과 천왕성은 역행 자전을 하는 예외적인 행성이다. 천왕성은 천체 충돌에 의해 자전축이 기울어져 역행 자전을 하는 것으로 추정된다. 금성은 매우 느린 자전 주기를 가지며, 초기 단계의 대충돌에 의해 자전 방향이 역전되었다고 생각된다.
3. 태양계 천체의 역행 운동
태양계 내 대부분의 천체는 태양 주위를 같은 방향으로 공전한다. 모든 행성과 대부분의 소천체는 태양의 북극 방향에서 볼 때 반시계 방향으로 공전한다. 반면, 혜성과 같이 역행 공전하는 천체들은 이심률이 매우 큰 궤도를 가진 경우가 많다.
행성의 위성 중 크고 모행성에 가까운 궤도를 가진 위성은 대부분 모행성의 자전 방향과 같은 방향으로 공전한다. 그러나 목성형 행성에는 궤도 경사각과 이심률이 큰 특이한 소위성이 많이 존재하는데, 이들은 소행성이나 해왕성 바깥 천체가 행성에 포획된 것으로 추정되며, 상당수가 역행 궤도를 가진다.
2006년 기준, 포획 천체로 추정되는 위성의 궤도 방향은 다음과 같다.
이러한 종류의 위성 중 가장 큰 것은 토성의 위성 포이베이다. 해왕성의 경우, 역행 궤도를 가지면서도 궤도 요소가 평범한 트리톤은 해왕성 바깥 천체에서 포획되어 현재까지 남은 유일한 큰 위성으로 여겨진다. 트리톤 바깥쪽의 불규칙한 궤도를 가진 위성 6개는 순행 궤도와 역행 궤도가 반반이며, 이들 중 일부는 포획 천체가 아니라 원래 해왕성의 위성이었고 트리톤 포획으로 인해 궤도가 교란된 것으로 추정된다.
3. 1. 행성
태양계의 8개 행성은 모두 태양이 자전하는 방향과 같은 방향으로 공전하며, 이는 태양의 북극 위에서 보았을 때 반시계 방향이다.[6] 이 중 6개 행성은 같은 방향으로 자전하지만, 금성과 천왕성은 예외적으로 역행 자전을 한다.[6]금성의 자전축 기울기는 177°로, 이는 금성이 자신의 궤도 방향과 거의 정반대로 자전함을 의미한다.[6] 천왕성의 자전축 기울기는 97.77°로, 자전축이 태양계 황도면과 거의 수평을 이룬다.[6]
천왕성의 특이한 자전축 기울기는 태양계 형성 초기에 지구 크기의 원시 행성과의 충돌로 인해 발생했을 가능성이 크다고 추정된다.[6]
금성의 느린 역행 자전(주기 243일)은 태양과의 조석력과 대기 조석의 상호작용으로 설명될 수 있다.[7] 금성은 태양에 충분히 가까워 상당한 중력 조석 소산을 경험하며, 두꺼운 대기는 열적으로 구동되는 대기 조석을 생성하여 역행 토크를 발생시킨다.[7] 금성의 현재 자전 상태는 이러한 중력 조석과 대기 조석 사이의 평형 상태로 설명된다.[7]
수성은 금성보다 태양에 더 가깝지만, 궤도 궤도 이심률 때문에 3:2 스핀-궤도 공명에 진입하여 조석 고정되지 않았다.[8] 지구와 화성도 태양과의 조석력 영향을 받지만, 수성이나 금성처럼 평형 상태에 도달하지는 못했다.[7] 태양계의 가스 행성들은 조석력이 자전을 늦추기에는 너무 크고 태양에서 멀리 떨어져 있다.[7]
3. 2. 왜행성
명왕성은 역행 자전을 하며, 자전축 기울기는 약 120도이다.[9] 명왕성과 위성 카론은 서로 조석 고정되어 있다. 명왕성 위성계는 거대한 충돌에 의해 생성된 것으로 추정된다.[10][11]3. 3. 위성
행성의 중력장 안에서 형성된 달은 규칙 위성으로, 행성의 자전 방향과 같은 방향으로 공전한다. 반면, 다른 곳에서 형성된 후 행성의 중력에 이끌려 궤도에 들어온 천체는 불규칙 위성이라고 불리며, 행성에 접근한 방향에 따라 역행 또는 순행 궤도를 가질 수 있다.[59]
태양계에서 소행성 크기의 많은 위성들은 역행 궤도를 갖는 반면, 트리톤을 제외한 큰 위성들은 순행 궤도를 갖는다.[60] 토성의 포에베 고리 입자들은 불규칙 위성인 포에베에서 유래했기 때문에 역행 궤도를 가진다.
역행 궤도를 갖는 모든 위성은 어느 정도 조석 감속을 겪는다. 태양계에서 이러한 효과가 뚜렷한 유일한 위성은 해왕성의 달인 트리톤이다. 다른 역행 위성들은 궤도가 멀리 떨어져 있어 행성과의 조석력이 미미하다.
힐 권 내에서, 중심 천체에서 멀리 떨어진 곳에서는 역행 궤도가 순행 궤도보다 더 안정적이다. 이는 목성을 공전하는 역행 위성이 더 많은 이유로 제시되기도 한다. 그러나 토성은 순행 위성과 역행 위성이 섞여 있어, 역행 위성의 분포 원인이 더 복잡함을 보여준다.[61]
3. 4. 소행성, 혜성, 카이퍼 대 천체
대부분의 소행성은 태양 주위를 순행 궤도로 공전하지만, 일부는 역행 궤도를 가진다. 역행 궤도를 가진 일부 소행성은 수명이 다한 혜성일 수 있지만, 일부는 목성과의 중력적 상호 작용으로 역행 궤도를 얻을 수 있다.[62] 오르트 구름에서 온 혜성들은 소행성보다 역행 운동을 할 가능성이 훨씬 더 높다.[16] 핼리 혜성은 태양을 역행 궤도로 공전한다.[24]대부분의 카이퍼대 천체는 태양 주위를 순행 궤도로 돈다. 역행 궤도를 가진 것으로 처음 발견된 카이퍼대 천체는 (471325) 2011 KT19이다.[25] 역행 궤도를 가진 다른 카이퍼대 천체로는 3, 28, 2011 MM4가 있다.[26][27] 이 궤도들은 모두 매우 기울어져 있으며, 경사는 100°~125° 범위에 있다.
3. 5. 유성체
역행 궤도의 유성체는 순행 유성체보다 지구 대기와의 충돌 속도가 빨라 대기 중에서 타버리는 경향이 있다.[28] 이러한 유성체는 태양 반대쪽(밤)을 향한 지구 측면에 더 자주 충돌한다.[28] 반면, 순행 유성체는 닫히는 속도가 더 느려 운석으로 더 자주 떨어지며, 태양을 향한 지구 측면에 충돌하는 경향이 있다.[28] 대부분의 유성체는 순행이다.[28]3. 6. 태양
태양의 질량 중심에 대한 운동은 행성들의 섭동에 의해 복잡해진다. 수백 년마다 이 운동은 순행과 역행 사이를 전환한다.[29]3. 7. 행성 대기
지구 대기권 내에서의 역행 운동은 기상 시스템이 편서풍에 역행하여 동쪽에서 서쪽으로 움직이거나, 무역풍에 역행하여 서풍대 폭발을 통해 서쪽에서 동쪽으로 움직이는 경우를 말한다. 행성 자전에 대한 순행 운동은 지구의 열권에서 나타나는 대기 초회전 현상과 금성의 상부 대류권에서 나타난다. 시뮬레이션 결과에 따르면 명왕성의 대기는 자전에 역행하는 바람이 지배적일 것으로 보인다.[30]3. 8. 인공위성
인공위성은 일반적으로 낮은 경사 궤도에 진입하도록 설계되어 있으며, 지구의 자전 효과를 활용하여 궤도 진입에 필요한 추진제량을 최소화하기 위해 순방향으로 발사된다 (적도 발사 기지가 이 효과에 최적이다). 그러나 이스라엘의 오페크 위성은 발사 잔해가 인구 밀집 지역에 떨어지는 것을 방지하기 위해 지중해 상공에서 서쪽으로, 즉 역행 방향으로 발사된다.[1]4. 외계 행성의 역행 운동
WASP-17b는 별이 회전하는 방향과 반대 방향으로 공전하는 것으로 발견된 최초의 외계 행성이었다.[34] 불과 하루 뒤에 그러한 두 번째 행성인 HAT-P-7b가 발표되었다.[35]
외계 행성계에서도 역행 운동이 발견된다. 한 연구에 따르면 알려진 모든 뜨거운 목성 중 절반 이상이 모항성의 자전축과 정렬되지 않은 궤도를 가지고 있었으며, 그중 6개는 역행 궤도를 가지고 있었다.[2]
역행 운동은 동일한 행성계 내의 다른 천체와의 중력적 상호 작용(코자이 메커니즘 참조)이나 다른 행성과의 근접 충돌의 결과로 나타날 수 있으며,[1] 별 자체의 자기장과 행성 형성 원반 사이의 상호 작용으로 인해 항성이 스스로 뒤집힌 것일 수도 있다.[65][66]
IRAS 16293-2422 원시별의 강착 원반은 반대 방향으로 회전하는 부분을 가지고 있다. 이것은 반대 방향으로 회전하는 강착 원반의 첫 번째 알려진 예이다. 이 시스템이 행성을 형성한다면, 내부 행성은 외부 행성과 반대 방향으로 공전할 가능성이 높다.[33]
성단에서 원시 행성 원반이 분자 구름과 충돌하거나 구름에서 물질을 훔치는 경우, 원반과 결과적으로 형성된 행성의 역행 운동이 발생할 수 있다.[3][4]
5. 은하 및 블랙홀의 역행 운동
원반 은하의 일반적인 회전에 비해 역행하는 궤도를 가진 별들은 은하 헤일로에서 은하 원반보다 더 많이 발견될 가능성이 높다. 우리 은하의 외부 헤일로에는 역행 궤도를 가지거나[38] 0에 가까운 회전을 하는 구상 성단이 많이 있다.[39] 헤일로의 구조는 현재 진행 중인 논쟁의 주제이다. 여러 연구에서 두 개의 뚜렷한 구성 요소로 구성된 헤일로를 발견했다고 주장했다.[40][41][42] 이러한 연구에서는 내부의 금속 함량이 더 높은 순행 구성 요소(별들이 평균적으로 원반 회전과 함께 은하를 공전)와 금속 함량이 낮고 외부의 역행(원반 반대 방향으로 회전) 구성 요소로 구성된 "이중" 헤일로를 발견했다. 그러나 이러한 발견은 다른 연구에서 이의를 제기했으며,[43][44] 그러한 이중성에 반대했다. 이들 연구는 개선된 통계 분석을 사용하고 측정 불확실성을 고려할 때 관측 데이터를 이중성 없이 설명할 수 있음을 보여준다.
가까운 캡테인 별은 우리 은하와 은하 합병된 왜소 은하에서 찢어져 나와 은하 주위에서 고속 역행 궤도로 끝났다고 생각된다.[45]
은하단 내에서 은하들의 근접 비행과 병합은 은하에서 물질을 끌어내어 더 큰 은하 주위를 순행 또는 역행 궤도로 작은 위성 은하를 생성할 수 있다.[46]
우리 은하의 회전에 대해 역행 방향으로 우리 은하를 공전하고 있는 Complex H라고 불리는 은하가 우리 은하와 충돌하고 있다.[47][48]
NGC 7331은 원반의 나머지 부분과 반대 방향으로 회전하는 팽대부를 가진 은하의 예시인데, 이는 아마도 유입되는 물질의 결과일 것이다.[49]
나선 은하의 중심에는 적어도 하나의 초대질량 블랙홀이 있다.[50] 역행 블랙홀, 즉 디스크와 반대 방향으로 회전하는 블랙홀은 순행 블랙홀보다 훨씬 강력한 제트를 뿜어내며, 순행 블랙홀은 제트가 전혀 없을 수도 있다. 과학자들은 강착 원반의 안쪽 가장자리와 블랙홀 사이의 틈을 기반으로 역행 블랙홀의 형성과 진화에 대한 이론적 틀을 제시했다.[51][52][53]
6. 겉보기 역행 운동 (Retrograde motion)
지구에서 보면, 외행성(화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성)은 하늘을 이동하면서 정기적으로 이동 방향을 바꾸는 것처럼 보인다. 어느 날 밤의 운동을 보면, 모든 항성과 행성은 지구의 자전에 따라 동쪽에서 서쪽으로 움직이지만, 일반적으로 행성은 항성에 대해 천천히 동쪽으로 이동하고 있다. 이 운동 방향이 행성에게 있어서 순방향이며, 겉보기 순행 운동으로 간주할 수 있다. 그러나 지구는 외행성에 비해 짧은 주기로 공전하기 때문에, 지구는 여러 차선의 고속도로를 달리는 빠른 차처럼 정기적으로 외행성을 추월하게 된다. 이러한 추월이 일어나면, 추월당하는 외행성은 동쪽으로 움직이는 순행 운동을 멈추고, 서쪽으로 되돌아가는 것처럼 보인다. 그 후, 지구가 공전을 진행하여 행성을 추월해 가면, 외행성은 다시 서쪽에서 동쪽으로의 순행 운동을 재개하는 것처럼 보인다.[55]
S - 태양의 위치
T1, T2, ..., T5 - 지구의 위치
P1, P2, ..., P5 - 외행성의 위치
A1, A2, ..., A5 - 천구상에서의 외행성의 겉보기 위치
화성은 이 겉보기 역행을 약 25.7개월마다 하며, 화성보다 바깥쪽의 행성은 더 자주 역행을 한다. 이 역행이 일어나는 주기를 그 행성의 회합 주기라고 한다.[55]
이 겉보기 역행 운동은 고대 천문학자들을 괴롭혔으며, 이 때문에 ''planet''이라는 이름의 유래 중 하나가 되었다. ''planet''은 그리스어로 "방황하는 것"을 의미하는 단어에서 유래했다. 천동설의 태양계 모델에서는, 행성의 겉보기 역행 운동은 행성이 주전원 위를 운동하기 때문이라고 설명되었다. 그 후 코페르니쿠스 등에 의해 지동설이 재발견되기 전까지, 역행은 겉보기 운동이라고는 생각하지 않았다.[55]
고대 중국, 한나라 시대의 천문학자들은 행성의 역행이 규칙적으로 일어나는 것을 알아차렸지만, 정상적인 운행으로 인정하지 않고, 재앙을 나타내는 이변으로 간주했다. 그들은 옛날 천하태평한 세상에는 역행이 없었는데, 병란이 잇따르는 시대에 들어 역행이 당연한 일이 되었다고 생각했다.[55]
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논문
Evolution of Spin Direction of Accreting Magnetic Protostars and Spin-Orbit Misalignment in Exoplanetary Systems
http://arxiv.org/abs[...]
[67]
웹사이트
Turning planetary theory upside down
http://www.astro.gla[...]
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