태양계

1. 개요

태양계는 항성인 태양과 태양을 공전하는 행성, 위성, 왜소행성, 소행성, 혜성, 카이퍼 대 천체, 행성간 먼지 등으로 구성된 천체계이다. 태양계 질량의 99.86%를 차지하는 태양은 중력으로 태양계 내 천체들을 지배하며, 8개의 행성(수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성)과 왜소행성, 소행성, 혜성, 카이퍼 대 천체 등 다양한 천체들이 태양 주위를 공전한다. 태양계는 내행성계, 외행성계, 카이퍼 대, 산란 분포대, 오르트 구름 등으로 구분하며, 행성과학자들은 가스, 얼음, 암석 등의 용어로 태양계 전역에서 발견되는 물질을 표현한다. 인류는 오랜 기간 동안 태양계에 대한 이해를 발전시켜 왔으며, 망원경 발명과 탐사선 발사 등을 통해 태양계의 구조와 구성, 그리고 형성과 진화에 대한 지식을 축적해 왔다. 태양계는 우리 은하 내 오리온 팔에 위치하며, 은하 중심을 공전하고 있다.

2. 태양계의 구성

태양계는 항성인 태양과, 태양의 중력에 이끌려 공전하는 다양한 천체들로 구성되어 있다. 이러한 천체에는 행성, 위성, 왜소행성, 소행성, 혜성, 행성간 먼지 등이 포함된다.

태양은 현재까지 알려진 태양계 전체 질량의 99.86%를 차지하며, 중력으로 다른 천체들을 지배한다. 태양을 제외한 나머지 질량 대부분은 목성과 토성이 차지하고 있다.

대부분의 큰 천체는 지구 궤도, 즉 황도와 거의 평행한 궤도를 따라 태양을 공전한다. 행성은 황도와 매우 가깝지만, 혜성이나 카이퍼 대 천체는 황도와 큰 각도를 이루는 궤도를 가진다.

핼리 혜성과 같은 예외도 있지만, 대부분의 천체는 태양의 자전 방향(태양 북극에서 보았을 때 시계 반대 방향)으로 공전한다.

케플러의 행성운동법칙에 따르면, 천체들은 태양을 한 초점으로 하는 타원 궤도를 따라 운동한다. 태양에 가까울수록 공전 속도가 빨라지고, 멀어질수록 느려진다. 행성의 궤도는 원에 가깝지만, 혜성이나 카이퍼 대 천체는 길쭉한 타원 궤도를 가진다.

태양계 모형에서는 행성 간 거리가 종종 왜곡되어 표현되지만, 실제로는 태양에서 멀어질수록 행성 간 간격이 더 넓어진다. 예를 들어, 금성은 수성보다 약 0.33 천문단위(AU) 더 멀리 떨어져 있지만, 토성은 목성보다 4.3 AU, 해왕성은 천왕성보다 10.5 AU 더 멀리 떨어져 있다.

대부분의 행성은 자체적인 천체 시스템을 가지고 있다. 행성 주위를 공전하는 자연 위성 중 일부는 행성보다 크기도 하며, 대형 위성은 대부분 조석고정되어 한쪽 면만 행성을 향한다. 목성, 토성, 천왕성, 해왕성은 행성 고리를 가지고 있다.

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📌 열 고정 해제

style="font-weight:bold;" | 태양과 태양계의 행성·왜행성

이름		반지름 (km)	질량 (kg)	궤도 경사각 (°)	이심률	궤도 장반축 (AU)	표면중력 (m/s2)	공전 주기 (년)	자전 주기 (일)	위성 수 (개)	출처
태양		695,700	1.989 ×10^30	-	-	-	274.0	-	27.275	-
1	수성	2,439.7	3.3011 ×10^23	7.00	0.2056	0.387	3.70	0.241	58.65	0
2	금성	6,051.8	4.8675 ×10^24	3.39	0.0067	0.723	8.87	0.615	243.0187 (역행)	0
3	지구	6,378.1	5.9723 ×10^24	0.00	0.0167	1.0000	9.798	1.000	0.997271	1
4	화성	3,396.2	6.4171 ×10^23	1.850	0.0935	1.524	3.71	1.881	1.02595	2
세레스		476	9.393 ×10^20	10.594	0.0755	2.767	0.28	4.60	0.3781	0
5	목성	71,492	1.8982 ×10^27	1.304	0.0489	5.204	24.79	11.862	0.4135	95
6	토성	60,268	5.6834 ×10^26	2.485	0.0565	9.582	10.44	29.457	0.4264	146
7	천왕성	25,559	8.6813 ×10^25	0.774	0.0457	19.201	8.87	84.011	0.7181 (역행)	28
8	해왕성	24,764	1.0241 ×10^26	1.769	0.0113	30.047	11.15	164.79	0.6712	16
명왕성		1,188.3	1.303 ×10^22	17.089	0.2502	39.445	0.620	247.74	6.3872 (역행)	5
하우메아		816	4.006 ×10^21	28.206	0.1899	43.347	~0.401	285.39	0.1631	2
마케마케		715	<4.4 ×10^21	28.983	0.1555	45.675	~0.5	308.69	7.771	1
에리스		1,163	1.66 ×10^22	44.199	0.4410	67.664	0.82	556.60	1.08	1

2.1. 태양

태양은 태양계의 중심에 있는 항성으로, 스스로 빛을 내는 유일한 천체이다. 태양계 전체 질량의 99.86%를 차지하며, 그 막대한 질량(지구질량의 33만 2,900배) 덕분에 내부에서는 핵융합 반응이 일어나 막대한 양의 에너지를 전자기 복사 형태로 우주 공간에 방출한다. 이 에너지의 일부가 우리가 가시광선으로 부르는 영역이다.

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태양의 표면 온도는 약 5,800 켈빈이며, 분광형상 G2 V, 즉 '질량이 큰 편에 속하는 황색 왜성'으로 분류된다. 하지만 실제로는 우리 은하 내에서 상당히 무겁고 밝은 별에 속한다. 색등급도에 따르면 태양은 주계열 띠의 한가운데에 위치하며, 이는 태양이 중심핵의 수소를 이용해 핵융합을 하는 '생애의 한가운데'에 있음을 의미한다. 태양은 처음 태어났을 때보다 점점 밝아지고 있는데, 초기에는 현재 밝기의 70% 수준이었다.

태양은 종족I항성으로, 우주 진화의 후기 단계에 태어나 수소와 헬륨보다 무거운 원소(금속함량)를 이전 세대 별보다 많이 포함하고 있다. 이러한 무거운 원소는 오래전 폭발한 별의 중심핵에서 만들어졌으며, 태양에 풍부한 금속은 행성계 형성에 중요한 역할을 한 것으로 보인다.

과학자들은 태양의 수명을 약 110억 년으로 추정하며, 현재 나이는 약 46억 년이다. 약 50억 년 후에는 적색 거성 단계에 접어들어 크기가 크게 팽창하고, 결국 백색왜성으로 생을 마감할 것으로 예상된다.

2.2. 행성

행성은 항성인 태양을 공전하며, 그 자체의 중력으로 인해 구형에 가까운 형태를 유지하고, 자신의 궤도 주변에 있는 다른 천체들을 흡수하거나 밀어내어 깨끗한 궤도를 가지는 천체를 말한다. 태양계에는 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성의 8개 행성이 존재한다.

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태양계의 행성 대부분은 그 자신의 천체 체계를 가지고 있다. 행성 주위를 공전하는 천체는 자연 위성 (또는 그냥 위성)이라고 하는데, 그 중 몇은 행성보다도 크다. 대표적인 예로 가니메데가 있다. 대형 위성은 대부분 조석고정을 하며, 모행성을 향해 영구히 한쪽 면만 보인다. 또한, 네 개의 거대한 행성 목성형 행성은 행성 주위를 선회하는 작은 입자의 얇은 띠인 행성 고리를 가지고 있다.

태양계 행성들은 크게 내행성과 외행성으로 나뉜다.

2.2.1. 내행성 (지구형 행성)

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내행성계는 태양에 비교적 가까운 궤도를 돌며, 주로 규산염과 금속으로 이루어진 지구형 행성과 소행성대를 포함한다. 내행성계의 범위는 목성 궤도와 토성 궤도 사이의 간격보다 짧다. 이 영역은 눈선(雪線)보다 약간 안쪽에 위치한다.

네 개의 지구형 행성은 암석으로 조밀하게 구성되어 있으며, 위성이 적거나 없고 고리도 없다. 이러한 행성을 구성하는 광물은 대부분 높은 녹는점을 가지고 있는데, 그 예로 지각과 맨틀을 구성하는 규산염, 핵을 구성하는 철, 니켈과 같은 금속이 있다. 지구형 행성 중 금성, 지구, 화성은 대기와 충돌 크레이터, 열곡, 지구대, 화산과 같은 구조 지질학적인 표면의 특징을 가지고 있다. “지구형 행성”이라는 용어는 “내행성”이라는 용어와 혼동하면 안 된다. 내행성은 지구와 태양 사이에 있는 행성, 즉 수성과 금성을 가리킨다.

2.2.2. 외행성

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외태양계에 있는 네 개의 큰 행성은 외행성(Outer planet^영어), 거대 행성(Giant planet^영어), 목성형 행성(Jovian planet^영어)이라고 불리며, 태양을 공전하는 천체의 전체 질량 중 99퍼센트를 차지한다. 목성과 토성을 합치면 지구의 400배 이상의 질량을 가지며, 주로 수소와 헬륨으로 구성되어 있다. 한편, 천왕성과 해왕성은 질량이 모두 지구의 20배 미만으로 목성과 토성에 비해 훨씬 작다. 따라서 일부 천문학자들은 이 두 행성을 거대 얼음 행성(Ice giant^영어) 또는 천왕성형 행성으로 분류하여 목성과 토성과 구분하고 있다. 네 행성 모두 고리를 가지고 있지만, 지구에서 쉽게 관측할 수 있는 것은 토성의 고리뿐이다. 여기서의 "외행성"은 외태양계에 있는 네 개의 행성 분류를 가리킨다. 이와 별도로 지구보다 바깥쪽을 공전하는, 화성보다 먼 쪽의 행성을 외행성(Superior planet^영어)이라고 부르기도 한다.

2.3. 왜소행성

왜소행성(矮小行星, dwarf planet)은 행성과 비슷하지만, 궤도 주변의 다른 천체를 완전히 제거하지 못한 천체이다. 세레스, 명왕성, 하우메아, 마케마케, 에리스 등이 이에 해당된다.

* 세레스(태양에서의 거리 2.77 AU)는 소행성대에서 가장 거대한 천체이다.
* 명왕성(태양에서의 평균 거리 39 AU)은 카이퍼 대에서 가장 거대한 천체 중 하나이다.
* 하우메아(태양에서의 평균 거리 43.34 AU)와 마케마케(평균 거리 45.79 AU)는 고전적 카이퍼 대 내에서 가장 큰 천체에 속한다.
* 에리스(태양에서의 평균 거리 68 AU)는 산란 분포대 천체 중 가장 질량이 큰 천체이며, 지름은 2400km로 명왕성보다 최소 5% 더 크다.

2.3.1. 세레스

세레스는 소행성대에서 가장 큰 천체이자 왜행성이다. 지름이 거의 1000km에 달해 자체 중력만으로 구형을 유지할 수 있다. 19세기에 발견될 당시에는 ‘행성’으로 여겨졌지만, 1850년대에 다른 소행성들이 발견되면서 ‘소행성’으로 재분류되었다. 이후 2006년에 ‘왜행성’으로 다시 분류되었다.

2.3.2. 명왕성

명왕성은 왜행성이며, 카이퍼 대 안에서 가장 거대한 천체로 알려져 있다. 1930년 발견되었을 때는 9번째 행성으로 간주되었으나, 2006년 국제천문연맹에서 새로운 행성의 정의가 발표된 뒤 행성에서 탈락했다. 명왕성의 궤도는 다른 행성에 비해 이심률이 크며, 황도면에 대해 17도 기울어져 있다. 태양으로부터의 평균 거리는 39 AU이나, 가까울 때는 29.7 AU, 멀어질 때는 49.5 AU로 그 격차가 크다.

명왕성의 가장 거대한 위성인 카론은 그 자체만으로 왜행성으로 분류될 가능성도 있으나, 확실하지 않다. 명왕성과 카론의 질량 중심은 두 천체 중간의 우주 공간에 형성되어 있어 쌍성계와 비슷하다. 이들보다 훨씬 더 작은 닉스, 히드라, 스틱스, 케르베로스는 명왕성-카론을 돌고 있다.

명왕성은 해왕성과 3:2의 궤도 공명을 보인다. 이는 해왕성이 태양을 3번 돌 때 명왕성은 2번 돈다는 뜻이다. 이 궤도 공명비를 보이는 카이퍼 대 천체를 명왕성족이라 부른다.

2.3.3. 하우메아

하우메아는 타원체 모양을 하고 있으며, 히이아카와 나마카 두 개의 위성을 가지고 있다. 자전 주기가 3.9시간으로 매우 빨라 타원체로 늘어나 있다. 해왕성과 7:12 궤도 공명 관계에 있으며, 수십억 년 전 하우메아에 대한 거대한 충돌로 인해 발생한 파편들로 구성된 충돌 가족의 일부이다. 2005년에 발견되었으며, 2008년에 왜행성으로 분류되면서 현재의 명칭을 부여받았다.

2.3.4. 마케마케

마케마케(Makemake)는 왜행성 명왕성보다는 작지만, 알려진 고전적 카이퍼 대 천체 중 가장 큰 천체이다. 태양계 외곽 천체 중에서는 명왕성 다음으로 밝다. 2008년에 왜소행성으로 분류되었고, 현재의 명칭이 공식적으로 부여되었다. 궤도는 명왕성보다 훨씬 기울어져 있으며, 궤도 경사각은 29도이다. 마케마케는 1개의 위성을 가지고 있다.

2.3.5. 에리스

에리스는 산란 분포대 천체 중 가장 질량이 큰 천체이며, 디스노미아라는 위성을 가지고 있다. 궤도는 명왕성과 비슷하게 이심률이 커서, 태양에 가장 가까워질 때는 38.2 AU(명왕성이 태양으로부터 떨어진 평균 거리와 비슷), 가장 멀어질 때는 97.6 AU까지 멀어진다. 에리스의 궤도는 황도면에 대해 크게 기울어져 있다.

2.4. 태양계 소천체

태양은 태양계 전체 질량의 99.86%를 차지하며, 중력으로 태양계 천체를 지배한다. 태양 주위를 공전하는 천체들의 궤도는 대부분 지구 궤도, 즉 황도와 거의 평행하다. 행성은 황도와 매우 가깝지만, 혜성이나 카이퍼 대 천체는 황도와 큰 각도를 이룬다.

소행성, 혜성, 유성체 등은 행성이나 왜소행성보다 작은 태양계 소천체이다.

센타우루스족은 목성(5.5 AU)과 해왕성(30 AU) 사이에서 혜성과 비슷한 궤도를 도는 얼음 천체이다. 가장 큰 센타우루스족인 10199 카리클로는 지름이 약 250km이다. 최초로 발견된 센타우루스족인 2060 키론은 태양에 접근하면서 코마가 커져 혜성으로도 분류된다(“95P/키론” 명칭 추가).

유성체는 지름 1미터 미만의 고체 물체로, 2017년 국제천문연맹(IAU)은 지름 30마이크로미터~1미터 사이의 고체 물체를 유성체로, 더 작은 입자는 '먼지 입자'로 정의했다. 유성체는 혜성, 소행성 붕괴나 행성체 충돌 파편으로 형성되며, 규산염, 니켈, 철 등 무거운 금속으로 구성된다. 혜성이 태양계를 통과할 때 유성체 궤적이 생성되는데, 이는 혜성 물질 증발이나 휴면 혜성 분해 때문이다. 대기 진입 시 유성체는 밝은 줄무늬(유성)를 만들고, 평행 궤적 흐름은 유성우를 일으킨다.

태양계 내부 행성간 먼지 구름은 황도광으로 보이며, 소행성대 충돌로 생성된다. 태양계 외곽 우주 먼지 구름(약 에서 )은 카이퍼 벨트 충돌로 생성된 것으로 추정된다.

2.4.1. 소행성대

소행성은 태양계의 소천체로, 대부분 암석과 금속과 같은 휘발성 없는 광물로 구성되어 있다. 주 소행성대는 화성과 목성 궤도 사이에 형성되어 있으며, 그 거리는 태양으로부터 2.3 ~ 3.3 천문단위(AU)이다. 이들은 태양계 생성 초기 목성의 중력 때문에 서로 뭉치지 못하여, 행성이 되는 데 실패한 존재로 여겨진다.

소행성의 크기는 수백 킬로미터에서 현미경으로 보아야 할 정도의 크기까지 다양하다. 가장 거대한 세레스를 제외한 모든 소행성은 태양계 소천체로 분류되나, 4 베스타와 10 히기에이아 등은 유체정역학적 균형 상태에 있음이 증명될 경우 왜행성으로 재분류될 수 있다.

소행성대에는 지름 200미터 이상의 천체가 수개 혹은 수만개 있다. 이렇게 숫자는 많지만, 소행성대 천체의 질량을 모두 합쳐도 지구의 1천 분의 1을 넘지 못한다. 주 소행성대의 천체는 매우 산발적으로 흩어져 태양을 돌고 있어서, 우주 탐사선이 이 지역을 주기적으로 통과해도 충돌 사고는 발생하지 않는다. 지름이 10 ~ 10⁻⁴ 미터 사이인 소행성을 유성체라고 부른다. 가끔 이곳에서 태양으로 돌진하는 소행성이 있다.

주 소행성대에 있는 소행성은 공전 궤도의 특성에 따라 소행성군과 소행성족으로 분류된다. 소행성 위성은 자기보다 큰 소행성을 도는 소행성을 가리키는 말이다. 종 위성과 주인 소행성의 크기는 평범한 위성과 행성만큼 차이가 나지 않으며, 경우에 따라서는 종과 주인의 크기가 거의 같을 경우도 있다(이는 행성-위성의 관계보다는 쌍성계와 더 비슷하다). 소행성대에는 지구에 물을 공급한 원천일 가능성이 있는, 주띠 혜성이 있다.

트로이 소행성군은 목성의 L₄ 또는 L₅ 점(공전 궤도상에서 행성을 이끄는 동시에 끌려가는 양상이 중력적으로 안정을 이루는 지점)에 있다. ‘트로이’는 다른 행성 또는 위성의 라그랑주점에 있는 작은 천체를 가리킬 때도 사용한다. 힐다 족은 목성과 2:3 궤도 공명을 하는데, 이는 목성이 태양을 두 번 돌 때 힐다 족은 세 번 돈다는 뜻이다.

내행성 지대에도 떠돌이 소행성으로 불리는 천체가 많다. 이들의 궤도는 내행성의 궤도와 교차하고 있으며, 따라서 운석과 충돌할 가능성을 품고 있다.

2.4.2. 혜성

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혜성(Comet^영어)은 대개 지름이 수 킬로미터 정도이며, 주로 얼음 등의 휘발성 물질로 이루어진 핵과 두 종류의 꼬리로 구성된다. 타원 궤도를 따라 공전하며, 근일점은 내태양계에, 원일점은 명왕성보다 멀리 떨어져 있는 경우가 많다. 혜성이 태양에 접근하면 핵 표면의 얼음이 승화하여 이온화되고 코마가 형성된다. 거기서 꼬리와 가스가 방출되어 뚜렷하게 관측될 수 있으며, 어떤 경우에는 맨눈으로 관측할 수 있을 만큼 밝아지는 경우도 있다.

공전 주기가 200년 미만인 혜성은 단주기 혜성이라고 불리며, 장주기 혜성은 수천 년에 걸쳐 태양을 공전하기도 한다. 단주기 혜성은 소행성대나 카이퍼 벨트를 기원으로 하는 경우가 많지만, 헤일-밥 혜성과 같은 장주기 혜성은 오르트 구름이 기원이라고 여겨진다. 크로이츠 혜성군을 비롯한 많은 혜성군은 하나의 혜성이 여러 조각으로 분열되어 형성된 것으로 생각된다. 쌍곡선 궤도를 갖는 비주기 혜성 중에는 태양계 외부에서 유래한 것도 있다고 여겨지지만, 정확한 계산은 어렵다. 태양열에 의해 핵 표면의 휘발성 물질이 거의 없어진 오래된 혜성은 소행성으로 분류되기도 한다.

2.4.3. 카이퍼 대

카이퍼 대는 소행성대와 비슷하게 파편 조각으로 이루어진 거대한 고리 모양의 영역이지만, 주요 구성 물질이 얼음이라는 점이 다르다. 태양으로부터 30 ~ 50 AU 지역에 형성되어 있다. 카이퍼 대의 천체는 대부분 태양계 소천체이나, 50000 콰오아, 20000 바루나, 90482 오르쿠스 등 덩치가 큰 천체는 왜행성으로 재분류될 가능성이 있다. 지름 50킬로미터 이상의 카이퍼 대 천체는 대략 10만 개 이상일 것으로 여겨지나, 이들의 질량은 모두 합쳐 보았자 지구 질량의 1,000분의 1 ~ 100분의 1에 불과하다.

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적지 않은 카이퍼 대 천체는 자신만의 위성을 여럿 거느리고 있다. 카이퍼 대 천체 대부분은 행성의 공전궤도면과 어긋난 궤도를 그리면서 태양을 돌고 있다.

태양계 외곽 천체는 고전적 카이퍼대 천체와 궤도 공명 상태에 있는 천체의 두 가지로 크게 구분할 수 있다. 궤도 공명의 대상이 되는 행성은 해왕성이며, 예를 들어 해왕성이 3번 공전하는 동안 2번 공전하는 천체가 후자에 해당한다. 전자의 고전적 카이퍼대 천체는 해왕성과 궤도 공명을 일으키지 않으며, 태양으로부터 약 39.4~47.7AU 떨어진 영역에 분포한다. 이 고전적 카이퍼대 천체는 큐비워노족이라고도 불리며, 알비온 (소행성)이 이 분류에서 처음 발견되었다.

2.4.4. 산란 분포대

해왕성 바깥 천체는 여전히 미지의 세계이다. 이 천체는 대부분 매우 작으며(가장 큰 것이 지구 직경의 5분의 1이고, 질량은 달보다도 작다), 암석과 얼음으로 이루어져 있다.

산란 분포대는 카이퍼 대와 겹치나 훨씬 더 멀리 퍼져 있다. 이 지역은 단주기 혜성의 고향인 것으로 여겨진다. 산란 분포대 천체는 태양계 초기 역사 때 해왕성이 현재 위치로 물러나면서 중력적인 영향을 받아 지금의 혼란스러운 궤도를 형성하게 된 것으로 보인다. 대부분의 산란 분포대 천체(SDO)는 태양과 가장 가까울 때는 카이퍼 대와 비슷한 곳을 도나, 멀어질 때는 150AU까지 물러난다. 산란 분포대 천체의 궤도는 황도면에 대해 크게 기울어져 있으며, 심지어 거의 수직에 가까운 부류도 있다. 일부 천문학자는 이 산란 분포대가 단지 카이퍼 대의 다른 영역에 지나지 않는다고 간주하기도 하며, 이런 취지에서 산란 분포대 천체를 ‘산란 카이퍼 대 천체’로 부른다. 일부는 센타우루스 족을 산란 분포대의 바깥쪽 천체와 구별하여 ‘안쪽 산란 카이퍼 대 천체’로 부르기도 한다.

2.4.5. 오르트 구름

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오르트 구름(Oort Cloud)은 태양에서 약 5만 천문단위(AU, 약 1광년)에서 최대 10만 천문단위(약 1.87광년)까지 떨어진 곳에 구형으로 분포하는 가상의 천체 집단이다. 장주기 혜성의 기원으로 추정되며, 수많은 얼음 천체로 구성되어 있다. 이 천체들은 목성형 행성과의 중력 상호작용으로 태양계 안쪽에서 튕겨져 나온 것으로 보인다. 오르트 구름의 천체는 매우 느리게 움직이며, 다른 별의 접근, 충돌, 우리 은하의 은하계 조력 등 드문 사건으로 인해 궤도가 교란될 수 있다.

2.5. 행성간 매질

태양은 빛과 함께 대전된 입자, 즉 플라스마의 지속적인 흐름인 태양풍을 발산한다. 이 입자의 흐름은 시속 150만 킬로미터의 속도로 퍼져나가, 희박한 태양권을 만드는 데 최소한 100 AU까지 퍼져나간다. 이것이 행성간 매질이다. 태양 표면에서 일어나는 태양 플레어나 코로나 질량 방출과 같은 지자기 폭풍은 태양권을 어지럽히고 우주 기후를 만들어 낸다. 태양권 내에서 가장 거대한 구조물은 태양의 회전 자기장으로 인해 행성간 매질에 생성되는 나선형의 태양권 전류편이다.

지구 자기장은 태양풍이 지구의 대기를 벗기는 것을 막아 준다. 금성과 화성은 자기장을 가지고 있지 않기 때문에 태양풍이 대기를 우주 공간으로 차츰 새어 나가게 하고 있다. 태양풍과 지구 자기장의 상호 작용은 대전된 입자를 지구의 초고층 대기에 직각으로 흐르게 하는데, 이 상호 작용으로 자기극 근처에서 오로라가 만들어진다.

우주선은 태양계 외부가 그 기원이다. 태양권이 태양계를 부분적으로 보호하고, 행성의 자기장(자기장이 있는 행성의 경우에만) 또한 행성을 다소 보호해 준다. 성간물질 안에 있는 우주선의 밀도와 태양 자기장의 세기는 매우 긴 시간에 걸쳐 변화하고, 이에 따라 태양계 안의 우주 방사선의 수준도 변화한다. 그러나 얼마나 변화하는지는 알 수 없다.

3. 태양계의 발견과 탐험

인류의 태양계에 대한 지식은 수 세기 동안 점진적으로 발전해 왔다. "태양계"라는 용어는 1704년 존 로크가 태양, 행성, 혜성을 가리키는 데 사용하면서 영어로 처음 등장했다. 1705년 에드먼드 핼리는 핼리 혜성이 75~76년마다 정기적으로 돌아오는 동일한 천체임을 밝혀내면서, 행성 외 다른 천체가 태양을 공전한다는 최초의 증거를 제시했다. 이는 1세기 세네카가 혜성에 대해 제기했던 이론과도 일치한다.

1769년 금성의 태양면 통과 관측을 통해 천문학자들은 지구-태양 간 평균 거리를 현대 값보다 0.8% 더 큰 값으로 계산해냈다.

19세기에는 항성 시차 측정을 통해 태양중심설이 확고한 증거를 얻었다. 1838년 프리드리히 베셀은 항성 시차를 성공적으로 측정하여 태양 중심설에 대한 최초의 직접적인 실험적 증거를 제시했다.

20세기와 21세기에는 행성 정의가 재정립되고 명왕성이 왜행성으로 강등되었으며, 해왕성 바깥 천체에 대한 관심이 높아졌다. 1992년 데이비드 C. 주잇과 제인 루는 알비온을 발견하여 명왕성과 같은 천체가 얼음 소천체 무리를 이룬다는 ধারণা을 갖게 했다. 2005년에는 마이클 브라운 등이 에리스를 발견했다.

3.1. 고대와 중세의 태양계 관측

오랜 시간 동안 인류는 (몇몇 주목할 만한 예외는 있지만) 태양계의 존재를 인식하지 못했다. 사람들은 지구가 우주의 중심에 있고 움직이지 않으며, 하늘에서 움직이는 다른 천체와는 절대적으로 다른 존재라고 믿었다. 인도의 수학자이자 천문학자인 아리아바타와 고대 그리스의 철학자 사모스의 아리스타르코스가 태양 중심의 우주론을 추측하기도 했지만, 널리 받아들여지지는 않았다.

3.2. 근대의 태양계 관측

오랜 시간 동안 인류는 지구가 우주의 중심에 있고 움직이지 않으며, 하늘에서 움직이는 다른 천체와는 절대적으로 다른 존재라고 믿었다. 인도의 수학자이자 천문학자인 아리아바타와 고대 그리스의 철학자 사모스의 아리스타르코스가 태양 중심의 우주론을 추측하기도 했지만, 니콜라우스 코페르니쿠스가 최초로 지구가 태양 주위를 돈다는 태양중심설(지동설)을 수학적으로 제시하였다.

17세기에는 요하네스 케플러, 갈릴레오 갈릴레이, 아이작 뉴턴이 지동설을 발전시키고 행성의 운동 법칙을 밝혀냈다. 케플러는 코페르니쿠스의 태양 중심 모델을 타원 궤도를 허용하도록 개선하고 티코 브라헤의 정밀한 관측 데이터를 사용하여 당시 알려진 행성들의 위치를 정확하게 계산할 수 있는 루돌프 표를 만들었다. 갈릴레오는 망원경을 사용하여 천문학 관측을 대중화했으며, 목성이 주위를 도는 네 개의 위성을 발견했다. 크리스티안 호이겐스는 타이탄과 토성 고리의 모양을 발견했다. 뉴턴은 프린키피아 마테마티카에서 천체가 지구상의 천체와 본질적으로 다르지 않다는 것을 보여주었다. 즉, 같은 뉴턴 운동 법칙과 만유인력의 법칙이 지구와 하늘 모두에 적용된다는 것이다.

망원경의 발달로 천왕성, 해왕성, 소행성 등 새로운 천체들이 발견되었다. 1781년 윌리엄 허셜은 황소자리 방향에서 쌍성계를 탐색하던 중 새로운 행성인 천왕성을 발견했다. 1801년 주세페 피아치는 화성과 목성 사이를 공전하는 케레스를 발견했다. 1846년에는 위르뱅 르베리에의 계산을 바탕으로 요한 고트프리트 갈레와 하인리히 다레스트가 해왕성을 발견했다.

3.3. 현대의 태양계 탐사

우주 시대가 시작되면서 인류는 탐사선을 이용하여 태양계 천체들을 직접 탐사하기 시작했다. 1989년까지 여덟 개의 행성 모두 우주 탐사선에 의해 방문되었다. 탐사선은 혜성과 소행성에서 샘플을 가져왔고, 태양 코로나를 통과했으며, 두 개의 왜행성(명왕성과 세레스)을 방문했다. 연료 절약을 위해 일부 우주 임무는 중력 도움 기동을 이용하는데, 예를 들어 보이저 탐사선 두 대는 외태양계의 행성을 근접 통과할 때 가속되었고, 파커 태양 탐사선은 금성을 근접 통과한 후 태양에 더 가까이 접근하면서 감속되었다.

인류는 1960년대와 1970년대에 아폴로 계획 동안 달에 착륙했고, 2020년대에 아르테미스 계획을 통해 달로 돌아갈 것이다.

4. 태양계의 형성과 진화

현대 성운설에 따르면, 우리 태양계는 약 46억 년 전 거대한 분자운의 중력 붕괴로 탄생했다. 이 분자운은 폭이 수 광년 정도였으며, 태양 외에도 여러 형제 별들이 함께 태어났을 것으로 추정된다. 붕괴 과정에서 각운동량 보존 법칙에 따라 물질이 뭉치는 부분은 점차 빠르게 회전했고, 질량이 집중된 중심부는 주변 원반보다 훨씬 뜨거워졌다. 수축하는 성운은 회전하면서 약 200 AU 지름의 원시 행성계 원반 형태로 납작해졌고, 중심에는 뜨겁고 밀도 높은 원시별이 자리 잡았다.

역사적으로 인류는 태양계에 대한 정확한 개념을 갖지 못했다. 고대에는 밤하늘에서 위치가 변하지 않는 별들을 별자리로 인식했고, 일부 움직이는 별들은 행성이라 불렀지만 그 움직임이 일정하지 않다고 여겼다. 중세 말 르네상스 시대에는 지구가 우주의 중심이고 모든 천체가 지구를 중심으로 공전한다는 천동설이 지배적이었다. 그리스 철학자 아리스타르코스는 현재 태양계와 유사한 모델을 추측했고, 니콜라우스 코페르니쿠스가 이를 지동설로 체계화했다. 17세기 갈릴레오 갈릴레이, 요하네스 케플러, 아이작 뉴턴은 물리학적 관점에서 지동설을 발전시켰고, 행성들이 지구와 같은 물리 법칙을 따른다는 인식이 확산되었다. 망원경 발명으로 달과 다른 행성들에 대한 많은 발견이 이루어졌으며, 망원경 개량과 무인 탐사선 탐사를 통해 산, 크레이터 등 지질학적 특징과 모래 폭풍, 구름, 빙관 등 기상학적 특징도 밝혀졌다.

4.1. 태양계의 형성

우리 태양계는 약 46억 년 전 거대한 분자운의 중력 붕괴로 탄생했다. 이 분자운은 주로 수소와 헬륨으로 구성되었으며, 이전 세대 별들의 핵융합으로 생성된 무거운 원소도 일부 포함했다.

태양계가 될 영역이 붕괴하며 각운동량 보존 법칙에 따라 회전 속도가 빨라졌다. 질량이 집중된 중심부는 점차 뜨거워졌고, 수축하는 성운은 지름 약 200 AU의 원시 행성계 원반 형태로 납작해졌다. 중심에는 뜨겁고 밀도 높은 원시별이 형성되었다.

이 원시 행성계 원반에서 먼지와 가스가 중력으로 뭉쳐 미행성이 형성되었다. 이들은 충돌과 합병을 통해 성장하여 행성, 왜행성, 소천체가 되었다.

태양 가까운 곳에서는 금속과 규산염만 고체로 존재하여 수성, 금성, 지구, 화성 같은 암석 행성이 형성되었다. 서리선 바깥에서는 얼음 화합물이 고체로 존재하여 목성, 토성, 천왕성, 해왕성 같은 거대 가스 행성이 형성되었다.

원시별 중심의 수소 압력과 밀도가 충분히 커져 핵융합이 시작되었다. 온도, 반응 속도, 압력, 밀도가 증가하여 정역학적 평형에 도달했고, 태양은 주계열성이 되었다. 태양풍은 남은 가스와 먼지를 원시 행성계 원반에서 성간 공간으로 밀어냈다.

나이스 모델에 따르면, 원시 행성계 원반 소멸 후 미행성과 가스 행성 간 중력 상호 작용으로 각 행성이 이동하여 다른 궤도에 진입했다. 그랜드 택 가설은 목성의 내향 이동이 소행성대를 분산시켜 내행성 후기 대폭격을 초래했다고 제안한다.

4.2. 태양계의 미래

태양이 색등급도 위 주계열 띠를 떠나기 직전까지는 우리가 알고 있는 태양계는 지금과 별 다를 바 없이 유지될 것이다. 그러나 태양이 죽음을 향해 진화하기 시작하면서 이 안정 상태는 깨진다. 태양이 중심핵에 있던 수소를 모두 핵융합 연료로 써 버리면, 중심핵을 지탱하는 에너지 산출량이 줄어들어 중심핵이 스스로 붕괴하게 만든다. 붕괴하면서 증가하는 압력은 중심핵을 뜨겁게 하여 연료는 더욱 빠르게 탄다. 이 결과 태양은 11억 년마다 10퍼센트 정도씩 밝아진다.

지금으로부터 약 54억 년 뒤 태양의 핵에 있던 수소는 완전히 헬륨으로 바뀌며, 주계열성으로서의 태양의 일생은 끝난다. 이 시점에서 태양의 반지름은 지금의 260배까지 부풀어 올라 적색 거성 단계에 돌입한다. 표면적이 막대하게 늘어나기 때문에 표면 온도는 크게 낮아져 2,600켈빈 수준까지 내려가 붉게 보이게 된다.

이후 태양의 외곽층은 우주로 떨어져 나가고 중심부에 극도로 빽빽하게 압축된 백색왜성만이 남는다. 이 천체 부피는 지구와 거의 비슷하지만, 질량은 태양의 절반이나 될 것이다. 떨어져 나간 외곽층은 우리가 행성상성운이라고 부르는 구조를 형성할 것이며, 태양을 구성하고 있었던 물질 중 일부를 우주 공간으로 되돌려 놓을 것이다.

태양계는 태양 주위를 중력적으로 구속된 궤도를 따라 공전하며 비교적 안정적이고 느리게 진화하는 상태를 유지하고 있다. 태양계는 수십억 년 동안 상당히 안정적이었지만, 기술적으로 카오스 시스템이며, 결국에는 붕괴될 수 있다. 향후 수십억 년 안에 다른 별이 태양계를 통과할 가능성이 작게나마 존재한다. 이는 태양계를 불안정하게 만들고 수백만 년 후 행성의 튕겨나감, 행성 간 충돌, 또는 행성의 태양 충돌로 이어질 수 있지만, 대부분 오늘날과 같은 상태로 남아 있을 가능성이 높다.

태양의 주계열 단계는 시작부터 끝까지 태양의 경우 약 100억 년 지속되며, 이는 태양의 잔해 이전 단계의 나머지 모든 단계에서 약 20억 년 정도 걸리는 시간과 비교된다. 태양 중심부의 수소가 모두 헬륨으로 전환될 때까지, 즉 약 50억 년 후까지 태양계는 현재와 거의 같은 상태를 유지할 것이다. 이는 태양의 주계열 단계의 끝을 알리는 시점이다. 그때 태양의 중심부는 수축하고 불활성 헬륨을 둘러싼 껍질을 따라 수소 핵융합이 일어나며, 에너지 출력은 현재보다 더 커질 것이다. 태양의 외층은 현재 지름의 약 260배까지 팽창하고, 태양은 적색 거성이 될 것이다. 표면적이 증가하기 때문에 태양의 표면은 주계열 단계보다 온도가 더 낮을 것이다 (가장 시원할 때 2).

팽창하는 태양은 수성과 금성을 증발시키고, 지구와 화성을 사람이 살 수 없게 만들 것으로 예상된다 (지구가 파괴될 가능성도 있다). 결국 중심부는 헬륨 핵융합이 가능할 정도로 충분히 뜨거워질 것이며, 태양은 중심부에서 수소를 태운 시간의 일부 동안 헬륨을 태울 것이다. 태양은 더 무거운 원소의 핵융합을 시작할 만큼 질량이 충분하지 않고, 중심부의 핵반응은 줄어들 것이다. 외층은 우주 공간으로 방출되고, 원래 태양 질량의 절반이지만 지구 크기밖에 안 되는 밀도 높은 백색왜성을 남길 것이다. 방출된 외층은 행성상 성운을 형성하여 태양을 형성했던 물질 중 일부(하지만 이제는 탄소와 같은 무거운 원소가 풍부해진)를 성간 매질로 되돌려 줄 것이다.

5. 골디락스 시스템

태양계 외에도 골디락스 지대를 가진 항성계로 케플러-22 계, 글리제 581 계 등이 보고되고 있다.

6. 은하적 맥락

태양계는 우리 은하 내 오리온 팔에 위치하고 있다. 우리 은하는 약 2천억 개의 별이 모여 있는 폭이 약 10만 광년인 막대 나선 은하이다. 태양은 은하핵으로부터 25,000 ~ 28,000 광년 떨어져 있으며, 초당 220킬로미터 속도로 공전하여 약 2억 2,500만 ~ 2억 5,000만 년에 한 번씩 은하 중심을 공전한다. 이를 ‘태양계의 은하년’이라고 한다. 태양향점은 허큘리스자리 근처 베가의 현재 위치 방향이다.

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은하 내 태양계의 위치는 지구 생명체 탄생과 진화에 중요한 영향을 미쳤을 것으로 보인다. 태양계의 궤도는 원에 가깝고, 나선팔과 비슷한 속도로 공전하여 초신성 폭발이 잦은 나선팔을 잘 통과하지 않는다. 이는 지구 생명체가 안정적으로 진화할 시간을 확보할 수 있게 했다. 또한 태양계는 항성이 밀집된 은하 중심부에서 멀리 떨어져 있어, 중력적 섭동으로 인한 천체 충돌이나 강렬한 복사 에너지의 위험을 줄여 복잡한 생명체가 진화하는 데 유리한 환경을 제공했다.

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태양계는 국부 거품으로 알려진 영역 내 국부 성간 구름에 속해 있다. 국부 거품은 폭이 약 300광년이며, 과거 초신성 폭발로 인해 발생한 고온의 플라스마로 채워져 있다.