위성

2. 용어

최초로 알려진 천연위성은 달이었지만, 1543년 코페르니쿠스가 저술한 『천구의 회전에 관하여』가 발표되기 전까지는 "행성"으로 간주되었다. 1610년 갈릴레이 위성이 발견될 때까지는 이러한 천체들을 하나의 종류로 지칭할 기회가 없었다. 갈릴레이는 자신의 발견을 ''Planetæ''("행성")라고 언급했지만, 이후 발견자들은 자신들이 관측한 천체와 구분하기 위해 다른 용어를 사용했다.

궤도를 도는 천체를 설명하기 위해 "위성"이라는 용어를 처음 사용한 사람은 1610년 소책자 『자신이 관측한 목성의 네 개의 위성에 대한 이야기』(Narratio de Observatis a se quatuor Iouis satellitibus erronibus)에서 독일 천문학자 요하네스 케플러였다. 그는 "경호원", "시종", 또는 "동반자"를 의미하는 라틴어 단어 ''satelles''에서 이 용어를 유래시켰는데, 이는 위성들이 하늘을 가로지르는 여정에서 주된 행성을 동반하기 때문이다.

"위성"이라는 용어는 "달"이라는 용어의 모호성을 피할 수 있었기 때문에 행성 주위를 공전하는 천체를 지칭하는 일반적인 용어가 되었다. 그러나 1957년 인공 물체 스푸트니크 발사로 새로운 용어가 필요하게 되었다. "인공위성"과 "인공달"이라는 용어는 더 간단한 "위성"이라는 용어로 빠르게 대체되었다. 결과적으로 이 용어는 우주에서 비행하는 인공 물체와 주로 연결되었다.

이러한 의미 변화로 인해 대중 과학 및 소설에서 일반적인 의미로 계속 사용되어 온 "달"이라는 용어는 다시 존중받게 되었고, 과학 논문에서도 "천연위성"과 같은 의미로 사용된다. 지구의 천연위성인 달과 다른 행성의 천연위성을 한편으로, 인공위성을 다른 한편으로 혼동하는 모호성을 피할 필요가 있을 때 "천연위성"("인공적인" 것과 대조되는 의미에서 "천연적인"을 사용)이라는 용어가 사용된다. 더욱 모호성을 피하기 위해, 지구의 천연위성(고유 명사)을 언급할 때는 "달"을 대문자로 표기하고, 다른 천연위성(보통 명사)을 언급할 때는 소문자로 표기하는 관례가 있다.

많은 저자들은 "위성" 또는 "천연위성"을 행성이나 왜행성을 공전하는 것으로 정의하며, "달"과 동의어로 사용한다. 몇몇 최근 저자들은 "달"을 "행성이나 왜행성의 위성"으로 정의한다.

지구의 위성인 달은 선사시대부터 그 존재가 알려졌지만, 코페르니쿠스 이전의 천동설에서는 행성의 하나로 생각되었다. 갈릴레오 갈릴레이가 목성에서 발견한 4개의 위성, 이른바 갈릴레이 위성이 역사상 최초로 발견된 위성이다. 요하네스 케플러에 의해 지동설이 우세해지면서, 라틴어로 종자를 의미하는 satelles에서 “위성”이라고 불리게 되었다.

국제천문연맹(IAU)에서는 2006년에 태양계 행성의 정의를 결의했지만, 위성의 정의에 관해서는 “향후 천문연맹에서 검토되어 결정될 예정”이라고만 밝혔다.^[39] 행성의 정의를 위성에 그대로 적용하는 것은 적절하지 않다고 여겨지며, 예를 들어 행성의 정의에 포함된 “중력 평형 형태(거의 구형)를 가진다”를 조건으로 하면, 지금까지 위성이라고 불렸던 천체가 정의에서 제외되는 경우가 발생한다는 지적이 있다.^[39] 명왕성과 카론처럼 크기가 비슷하고, 천체 간의 공통 중심이 모행성의 표면보다 바깥쪽에 있는 경우를 종래처럼 왜소행성-위성계로 볼 것인지, 이중 천체(이중 왜소행성)로 볼 것인지도 논의되고 있다.^[39]

인간이 만든 인공 천체의 경우에는 자연 위성과 구별하기 위해 “인공위성”(Artificial Satellite^영어)이라고 부르지만, 이를 단순히 “위성”이라고 부르는 경우도 적지 않다. 영어에서는 구어적으로 "moons"라는 단어로, 한국어에서도 “ (행성)의 달”이라는 호칭으로 달에 국한하지 않고 각 행성 등의 위성 전체를 가리키는 경우도 있다.

위성 주위를 공전하는 천체를 손위성이라고 한다. 현재까지 자연 손위성은 발견되지 않았으며, 일시적으로 존재했더라도 궤도가 불안정할 것으로 예상된다.

2. 1. 달의 정의

4. 위성의 특징

대부분의 위성은 조석 작용의 영향으로 늘 같은 면이 행성을 향하고 있다. 토성의 히페리온이나 포에베 등은 예외이다.

위성이 또 다른 위성을 가질 가능성은 낮다. 모행성의 조석 작용으로 인해 그 궤도가 불안정하기 때문이다. 하지만 위성의 라그랑주 점에 다른 동반 위성이 있는 경우는 있다.

243 이다의 위성 다크틸이 발견되면서 소행성에도 위성이 있는 것이 확인되었다. 90 안티오페처럼 크기가 비슷한 두 소행성으로 이뤄진 이중 소행성도 있다. 87 실비아에는 두 개의 위성이 있다.

4. 1. 조석 고정

태양계의 대부분의 정상적인 위성(상대적으로 가까운 직진 궤도를 따라 공전하며, 궤도 경사각과 이심률이 작은 자연 위성)은 각각의 모체에 조석 고정되어 있다. 즉, 위성의 같은 면이 항상 행성을 향하게 된다. 이 현상은 행성에 의해 발생하는 조석력으로 인한 에너지 손실로 인해 위성의 자전이 느려져 무시할 만큼 작아질 때 발생한다.^[16] 예외도 있다. 하나의 예로 토성의 위성인 히페리온은 타이탄의 중력 영향으로 인해 불규칙하게 자전한다. 명왕성의 네 개의 작은 이중 행성 위성도 카론의 영향으로 불규칙하게 자전한다.

반대로, 거대 행성의 바깥쪽 위성(불규칙 위성)은 너무 멀리 떨어져 있어 조석 고정되지 않았다. 예를 들어, 목성의 히말리아, 토성의 포이베, 해왕성의 네레이드는 자전 주기가 10시간 정도인 반면, 공전 주기는 수백 일이다.

4. 2. 위성의 위성 (손위성)

현재까지 위성의 위성(행성의 자연 위성을 공전하는 자연 위성)은 알려진 바 없다. 대부분의 경우, 행성의 조석 효과로 인해 이러한 시스템은 불안정해진다.

하지만, 2008년에 토성의 위성 리아 주위의 고리계가 발견^[17]됨에 따라 수행된 계산 결과에 따르면, 리아를 공전하는 위성은 안정적인 궤도를 가질 수 있다. 게다가, 의심되는 고리는 좁은 것으로 생각되는데,^[18] 이는 일반적으로 목자 위성과 관련된 현상이다. 그러나, ''카시니'' 탐사선이 촬영한 목표 이미지에서는 리아 주위에 고리가 발견되지 않았다.^[19]

토성의 위성 이아페투스가 과거에 위성을 가지고 있었다는 주장도 제기되었다. 이는 이아페투스의 적도 능선을 설명하기 위해 제시된 여러 가설 중 하나이다.^[20]

광도곡선 분석에 따르면, 토성의 불규칙 위성 키비우크는 매우 길쭉하며, 접촉 이중성 또는 심지어 이중 위성일 가능성이 높다.^[21]

4. 3. 트로이 위성

라그랑주점(L4 및 L5)에 작은 동반 천체를 거느리고 있는 두 개의 자연 위성이 알려져 있다. 이러한 동반 천체는 궤도가 목성의 트로이 소행성과 유사하기 때문에 트로이 위성이라고 불린다. 트로이 위성으로는 토성의 위성 테티스의 선행 및 후행 동반 천체인 텔레스토와 칼립소, 디오네의 선행 및 후행 동반 천체인 헬레네와 폴리데우케스가 있다.

4. 4. 소행성 위성

1990년대 초 243 이다의 자연 위성인 다크틸의 발견은 일부 소행성이 자연 위성을 가지고 있음을 확인시켜 주었다. 실제로 87 실비아는 두 개의 위성을 가지고 있다. 90 안티오페와 같은 일부 소행성은 크기가 비슷한 두 개의 구성 요소로 이루어진 이중 소행성이다.

4. 5. 위성의 모양

해왕성의 위성 프로테우스는 가장 큰 불규칙한 모양의 자연 위성이다. 에리스의 위성 디스노미아와 오르쿠스의 위성 반스의 모양은 알려지지 않았다. 천왕성의 미란다 크기 이상인 다른 모든 알려진 자연 위성들은 정수압 평형 상태에서 둥근 타원체로 변형되었으며, "둥근/원형 위성"이며 때로는 행성 질량 위성으로 분류된다. 더 큰 자연 위성들은 조석 고정되어 있기 때문에 난형(달걀 모양) 형태를 띠는 경향이 있다. 극 부근은 납작하고 적도 축은 그들의 중심 천체(행성) 방향으로 운동 방향보다 더 길다. 이 효과는 가장 큰 자연 위성에서는 더 작은데, 이는 그들의 중력이 조석 변형의 영향에 비해 더 크기 때문이다.^[1]

토성의 위성 미마스는 장축이 극축보다 9% 길고 다른 적도 축보다 5% 길다. 토성의 또 다른 위성인 메토네는 지름이 약 3km에 불과하며 눈에 띄게 계란 모양이다.

이름	위성의 모행성	축의 차이 (km)	평균 지름의 %
미마스	토성	33.4	8.4
엔셀라두스	토성	16.6	3.3
미란다	천왕성	14.2	3.0
테티스	토성	25.8	2.4
이오	목성	29.4	0.8
Luna	지구	4.3	0.1

4. 6. 위성의 지질 활동

태양계에서 중력에 의해 둥글게 형성될 만큼 충분히 큰 것으로 알려진 20개의 자연 위성 중 몇몇은 오늘날에도 지질학적으로 활동적이다. 이오는 태양계에서 가장 화산 활동이 활발한 천체이며, 유로파, 엔셀라두스, 타이탄, 트리톤은 현재 진행 중인 판구조 활동과 얼음화산 활동의 증거를 보여준다. 앞의 세 가지 경우, 지질 활동은 거대 행성에 가까운 이심 궤도로 인한 조석 가열에 의해 발생한다. 지구의 달, 가니메데, 테티스, 미란다와 같은 다른 많은 자연 위성들은 과거의 지질 활동의 증거를 보여준다. 엔셀라두스와 트리톤은 모두 간헐천과 유사한 활동적인 특징을 가지고 있지만, 트리톤의 경우 태양열이 에너지를 제공하는 것으로 보인다. 타이탄과 트리톤은 상당한 대기를 가지고 있으며, 타이탄은 탄화수소 호수도 가지고 있다. 갈릴레이 위성 네 개는 모두 대기를 가지고 있지만, 매우 희박하다.^[22][23][24] 유로파, 가니메데, 칼리스토, 타이탄의 네 개의 가장 큰 자연 위성은 지하에 액체 상태의 물로 이루어진 바다를 가지고 있는 것으로 생각되며, 더 작은 엔셀라두스도 전 지구적인 지하 액체 바다를 가지고 있다.