이중행성
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1. 개요
이중 행성은 두 천체가 서로의 질량 중심을 공전하는 천체계를 의미하며, 행성-위성 시스템과 구별하기 위한 다양한 기준이 존재한다. 주요 기준으로는 두 천체의 행성 조건 만족 여부, 질량 비율, 공통 질량 중심의 위치, 그리고 줄다리기 값 등이 제시된다. 태양계 내에서는 명왕성과 카론이 이중 왜행성으로 간주될 수 있으며, 지구와 달은 이중 행성으로 보기 어렵다는 의견이 일반적이다. 또한, 소행성에서는 이중 소행성이 다수 발견되었다. 태양계 외 이중 행성은 아직 확인되지 않았으나, 거대 충돌이나 조석 포획과 같은 과정을 통해 형성될 수 있으며, SF 작품의 소재로도 활용된다.
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| 이중행성 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 이중행성 |
| 정의 기준 | 질량 중심이 두 천체 외부에 위치 질량비가 1에 가까움 |
| 특징 | |
| 질량 중심 | 두 천체 외부 |
| 질량비 | 1에 가까움 |
| 궤도 축 | 두 천체 외부에서 공유 |
| 예시 | |
| 대표적인 예 | 지구 - 달 계 |
| 기타 예시 | 1998 WW31 |
| 참고 | |
| 관련 용어 | 위성계 (천문학) |
| 관련 개념 | 쌍성계 (항성) |
2. 이중행성의 정의
"이중 행성"이라는 용어는 "행성-위성 시스템"과 구별하기 위해 사용되지만, 명확한 정의는 아직 없다. 여러 가지 기준이 고려되는데, 이는 행성의 정의 자체가 명확하지 않다는 점과 무엇을 "이중 행성"으로 볼 것인가에 대한 논의가 계속되고 있기 때문이다.
현재 태양계에서 명왕성과 카론이 이중 행성으로 유력하게 여겨지지만, 지구와 달을 이중 행성으로 보는 학자들도 있다. 지구-달 시스템에서 달의 직경은 지구의 약 1/4, 질량은 약 1/81이다. 이는 다른 위성들에 비해 크지만, 질량만으로는 지구와 비슷하다고 보기 어렵다. 또한 지구와 달의 질량 중심은 지구 내부에 있어, 지구-달 시스템을 이중 행성으로 보지 않는 의견이 일반적이다.
명왕성-카론 시스템의 경우 질량 비율이 약 7:1이고, 질량 중심이 우주 공간에 있어 이중 행성으로 정의될 수 있다. 2006년 국제천문연맹 총회에서는 명왕성과 카론을 이중 행성으로 추가하는 안건이 논의되었으나, 명왕성은 왜행성으로 결정되었고 카론은 보류되었다. 하지만 일부 학자들은 카론도 왜행성으로 정의하여 명왕성과 함께 이중 행성으로 간주하기도 한다.
2. 1. 두 천체의 행성 기준 만족
《천문학 저널》에 제안된 정의에 따르면, 두 천체 모두 개별적으로 궤도 청소 기준을 충족해야 이중 행성으로 불릴 수 있다.[5]2. 2. 질량 비율
태양계에서 명왕성과 그 위성 카론은 이중행성으로 유력하게 여겨지지만, 지구와 달을 이중행성으로 보는 학자들도 있다. 지구-달의 경우 달의 직경은 지구의 1/4, 질량은 1/81이다. 이는 다른 위성들에 비해 크지만, 질량으로 보면 지구와 비슷하다고 하기에는 작다.명왕성-카론의 경우 질량 비율이 7:1이고, 무게중심이 우주 공간에 있어 이중행성으로 정의할 수 있다. 2006년 국제천문연맹 총회에서 명왕성과 카론을 이중 행성으로 추가하는 안건이 논의되었으나, 명왕성은 왜행성으로 결정되었고 카론은 보류되었다. 일부 학자들은 카론도 왜행성으로 정의하여 명왕성과 함께 이중행성으로 간주한다.[6]
두 천체의 질량비는 이중 행성을 정의하는 중요한 고려 사항 중 하나이다. 질량비가 1에 가까울수록 "이중"으로 분류하기에 더 적합하다. 이 정의에 따르면 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성의 위성들은 제외된다. 이들의 질량은 공전하는 행성의 0.00025 미만이기 때문이다.
명왕성-카론 시스템은 예외적인 경우이다. 카론 대 명왕성의 질량비는 0.122 (≈ 1/8)로 1에 가깝다.[7] 달 대 지구의 질량비도 0.01230 (≈ 1/81)로 다른 위성-행성 비율에 비해 1에 가깝지만, 지구-달 시스템을 이중 행성으로 간주하는 것은 소수 의견이다. 에리스의 위성 디스노미아의 경우, 질량비가 대략 1/40 정도로 추정되어 달-지구 및 카론-명왕성 비율의 중간 값이다.
하지만 이중 행성을 명확하게 정의하기 어려운 이유는 행성의 정의 자체가 명확하지 않고, '질량이 서로 비슷하다'라는 판단 기준 역시 명확하게 정해져 있지 않기 때문이다.
2. 3. 공통 질량 중심의 위치
명왕성과 위성 카론은 질량 비율이 7:1이고, 무게중심이 우주 공간에 있어 이중행성으로 정의할 수 있다.[8] 2006년 국제천문연맹 총회에서 명왕성과 카론을 이중 행성으로 인정할 가능성이 제기되었으나, 명왕성은 왜행성으로 결정되었다. 카론은 명왕성의 절반 크기로 위성 여부가 불분명하여 보류되었지만, 일부 학자들은 카론도 왜행성으로 정의하여 명왕성과 함께 이중행성으로 간주한다.현재 이중행성계에 대한 가장 일반적인 정의는 두 천체가 공전하는 질량 중심이 두 천체 모두의 외부에 위치하는 경우이다. 이 정의에 따르면 명왕성과 카론은 이중 왜소행성이다. 뉴 호라이즌스 우주 탐사선의 이미지에서 볼 수 있듯이, 이들은 명왕성 외부의 한 점을 공전한다.
지구-달 시스템은 현재 이중 행성이 아니다. 질량 중심은 지구 내부에 위치한다. 그러나 달은 연간 약 약 3.81cm의 속도로 지구에서 멀어지고 있으며, 수십억 년 후에는 지구-달 시스템의 질량 중심이 지구 외부에 위치하게 되어 이중 행성계가 될 것이다.
목성-태양 시스템의 질량 중심은 태양 표면 외부에 있지만, 목성은 핵융합로가 되기에는 질량이 너무 가볍다. 만약 목성이 13배 더 무거웠다면, 중수소 핵융합을 달성하여 갈색 왜성이 되었을 것이다.[8]
두 천체의 공통 질량 중심 위치는 이중 행성 여부를 판단하는 지침으로 사용된다. 공통 질량 중심이 한 천체 내부에 있으면 행성-위성계, 우주 공간에 있으면 이중 행성으로 판단한다.
이 정의에 따르면 지구-달은 행성-위성계, 명왕성-카론은 이중 행성이 된다. 그러나 이 정의는 두 천체 간의 거리, 주 행성의 밀도와 자전 속도에 영향을 받는다. 예를 들어 지구와 달의 거리가 멀어지거나 지구 밀도가 변하면 공통 질량 중심 위치가 변하여 이중 행성계로 바뀔 수 있다.
2. 4. 줄다리기 값
아이작 아시모프는 행성-달 구조와 "이중 행성" 구조를 구별하기 위해 "줄다리기" 값이라는 개념을 제안했다.[9] 이 값은 더 큰 천체(주 천체)가 작은 천체에 가하는 힘과 태양이 작은 천체에 가하는 힘의 비율을 나타내며, 상대적인 크기는 고려하지 않는다.[9]줄다리기 값은 다음 공식으로 계산된다.
여기서 는 주 천체의 질량, 는 태양의 질량, 는 작은 천체와 태양 사이의 거리, 는 작은 천체와 주 천체 사이의 거리이다.[9] 이 값은 위성(작은 천체)의 질량에는 영향을 받지 않는다.
이 공식은 더 큰 천체와 태양이 작은 천체에 미치는 중력의 관계를 나타낸다. 예를 들어, 토성의 달 타이탄의 줄다리기 값은 380인데, 이는 토성이 타이탄을 당기는 힘이 태양이 타이탄을 당기는 힘보다 380배 강하다는 의미이다. 반면 토성의 달 포이베의 줄다리기 값은 3.5로, 토성이 포이베를 당기는 힘이 태양보다 3.5배 강할 뿐이다.
아시모프는 여러 행성의 위성에 대한 줄다리기 값을 계산하여, 대부분의 경우 줄다리기 값이 1보다 커서 태양이 행성과의 줄다리기에서 진다는 것을 보여주었다. 예외는 지구의 달로, 줄다리기 값이 0.46으로 태양이 이긴다. 즉, 지구가 달을 당기는 힘이 태양의 절반보다 약하다. 아시모프는 이를 근거로 지구와 달을 이중 행성으로 간주해야 한다고 주장했다.[9]
아시모프의 이중 행성 정의는 태양으로부터의 거리에 따라 달라진다. 만약 지구-달 시스템이 태양에서 더 멀리 떨어져 있다면, 지구는 줄다리기에서 이길 것이다. 예를 들어, 화성 궤도에서 달의 줄다리기 값은 1.05가 된다. 또한, 아시모프의 제안 이후 발견된 해왕성의 작은 외부 달 네소와 사마테도 줄다리기 값이 각각 0.42와 0.44로 지구의 달보다 작아 이중 행성으로 간주될 수 있다.
2. 5. 시스템 형성 과정
지구-달 시스템과 명왕성-카론 시스템은 모두 거대 충돌의 결과로 형성된 것으로 여겨진다.[1] 거대 충돌은 한 천체가 다른 천체와 충돌하여 파편 원반을 만들고, 그 결과로 두 천체가 새로 형성되거나, 더 큰 천체가 남으면서(변형되면서) 하나의 새로운 천체가 형성되는 현상이다.[1] 그러나 거대 충돌이 이중 행성 형성의 충분조건은 아니다.[1] 명왕성의 네 개 작은 바깥쪽 위성들처럼 작은 위성들 또한 생성할 수 있기 때문이다.[1]현재는 폐기된 달의 기원 가설은 "이중 행성 가설"이라고도 불렸다.[1] 이 가설은 지구와 달이 태양계의 원시 행성 원반의 같은 영역에서 형성되어 중력 상호 작용으로 하나의 시스템을 이룬다는 내용이었다.[1] 하지만 이 역시 두 천체를 "이중 행성"으로 정의하기에는 문제가 있다.[1] 행성은 중력 상호 작용을 통해 위성을 "포획"할 수 있기 때문이다.[1] 예를 들어 화성의 위성 (포보스와 데이모스)는 오래전 화성에 의해 포획된 소행성으로 추정된다.[1] 이 정의에 따르면 해왕성-트리톤도 이중 행성으로 간주될 수 있다.[1] 트리톤은 카이퍼 벨트 천체로 명왕성과 크기 및 구성이 유사하며, 이후 해왕성에 포획되었기 때문이다.[1]
3. 태양계의 이중행성
현재 태양계에서 공식적으로 이중행성으로 인정된 천체는 없지만, 명왕성과 그 위성 카론이 가장 유력한 후보로 꼽힌다. 명왕성과 카론은 질량 비율이 7:1이고, 질량 중심이 명왕성 바깥 우주 공간에 있어 이중행성으로 볼 수 있다.[6][7] 그러나 2006년 국제천문연맹 총회에서 명왕성이 왜행성으로 결정되면서 카론의 지위 또한 불분명해졌다. 일부 학자들은 카론도 왜행성으로 분류하여 명왕성과 함께 이중 왜행성으로 보기도 한다.[7]
지구와 달을 이중행성으로 보는 학자들도 있지만, 달의 질량이 지구에 비해 너무 작고 질량 중심이 지구 내부에 있어 일반적으로 이중행성으로 인정되지 않는다.
3. 1. 지구와 달
지구와 달의 경우, 달의 지름은 지구의 1/4, 질량은 1/81이다. 이는 위성의 크기로는 다른 위성보다 크지만, 질량을 계산하면 지구와 비슷한 크기라고 하기엔 너무 작다.[9] 지구와 달의 공통 질량 중심은 지구 표면 안쪽에 있기 때문에 지구와 달은 이중행성이 아니라는 의견이 일반적이다.하지만 일부 학자들은 지구와 달을 이중행성으로 보기도 한다. 아이작 아시모프는 "줄다리기" 값을 통해 행성-달 구조와 이중행성 구조를 구분하자고 제안했다.[9] 이 값은 더 큰 천체가 더 작은 천체에 가하는 힘과 태양이 더 작은 천체에 가하는 힘의 비율을 나타낸다. 지구와 달의 경우, 태양이 줄다리기에서 0.46의 값으로 이기는데, 이는 지구가 달을 붙잡는 힘이 태양의 절반보다 약하다는 것을 의미한다. 아시모프는 이를 지구와 달이 이중행성으로 간주되어야 한다는 주장의 근거로 삼았다.[9]
만약 지구-달 시스템이 현재보다 태양에서 더 멀리 있었다면, 지구는 줄다리기에서 이겼을 것이다. 예를 들어, 화성 궤도에서 달의 줄다리기 값은 1.05가 된다.
3. 2. 명왕성과 카론
명왕성과 카론은 질량 비율이 7:1로, 질량 중심이 명왕성 바깥의 우주 공간에 있어 이중 행성으로 정의할 수 있다.[6] 2006년 국제천문연맹 총회에서 명왕성이 왜행성으로 결정되면서 카론의 지위는 불분명해졌으나, 일부 학자들은 카론도 왜행성으로 정의하여 명왕성과 함께 이중 왜소행성으로 분류한다.[7]카론 대 명왕성의 질량비는 0.122 (≈ )로, 다른 행성-위성 시스템에 비해 1에 가깝다. 국제천문연맹(IAU)은 카론을 명왕성의 위성으로 분류했지만, 향후 이들을 이중 왜소행성으로 재고할 가능성을 열어두었다.[6]
뉴 호라이즌스 우주 탐사선의 관측 결과, 명왕성과 카론은 명왕성 외부의 한 점을 중심으로 공전하는 것이 확인되었다.
3. 3. 이중 소행성
소행성에서는 안티오페(안티오페의 지름 약 87.8km인 데 비해, 그 위성의 지름은 약 83.8km로 크기가 비슷하다)를 시작으로, '''이중 소행성''' ('''쌍성 소행성''')이 다수 발견되었다. 이러한 소행성은 흔한 존재라고 생각된다(소행성의 위성 참조).4. 태양계 외 이중행성
태양계 외 이중 행성은 외계 위성 중 위성의 질량이 큰 경우에 해당한다. 이러한 천체는 외계 위성의 검출과 동일한 기법으로 탐색할 수 있다. 2024년 현재, 확실하게 확인된 외계 위성은 없으며, 따라서 태양계 외 이중 행성 또한 아직 가설 단계에 머물러 있다.
이중 행성의 형성 과정은 태양계의 지구-달계나 명왕성-카론계와 같이 거대 충돌에 의한 것이 외계 고체 행성에도 적용될 수 있다. 또한, 원시 거대 가스 행성 상호 간의 근접 조우에 따른 조석 포획이라는 새로운 메커니즘도 제안되고 있다.[1][2][3]
근접 조우 시 두 행성의 상대 운동 운동 에너지가 조석력을 통해 천체를 변형시키는 에너지로 변환된 후, 열 에너지로 흩어지면서 원시 행성의 상대 운동에 제동이 걸리고, 작은 원시 행성은 큰 원시 행성에 포획된다.[1][2] 이러한 포획이 일어나려면 두 천체의 접근 거리와 상대 속도가 중요하다. 접근 거리가 너무 가까우면 두 천체는 충돌하여 하나의 행성이 된다. 반면 접근 거리가 너무 멀거나 상대 속도가 너무 빠르면 포획에 필요한 제동이 걸리지 않아 원시 행성은 큰 상대 속도를 유지한 채 멀어진다. 따라서 조석 포획이 일어나려면 원시 행성은 특정한 조건을 만족해야 한다.
거대한 원시 행성 간의 근접 조우는 행성 형성 과정에서 흔히 발생하며,[1][2][3] N체 시뮬레이션 연구에 따르면, 거대 가스 행성의 근접 조우 시 조석 포획이 일어나는 조건을 만족하는 경우가 드물지 않으며,[1][3] 거대 원시 행성 간 근접 조우의 약 1-20%,[1][2] 10%,[2] 14.3%[3]가 이중 행성 형성을 유도한다는 결과가 보고되었다. 또한, 이 메커니즘은 행성계 전체에 특별한 조건을 요구하지 않으므로, 일반적인 항성의 행성계에서도 이중 거대 가스 행성이 존재할 가능성이 있다.[1]
주성(主星)에 가까운 궤도에서 형성된 이중 행성은, 일반적인 외계 위성과 마찬가지로 주성의 조석력 때문에 수십억 년에서 수백억 년 동안 안정적으로 존재할 수 없으며,[2] 따라서 거대 가스 행성 간 이중 행성은 0.3 천문 단위보다 주성에서 떨어진 궤도를 가질 것으로 예상된다.[2] 조석 포획으로 생성된 이중 행성은 포획 직후 타원 궤도로 공통 질량을 공전하지만, 행성 간 조석 상호 작용으로 원 궤도화가 일어나, 진원에 가까운 작은 궤도로 공통 질량을 공전하는 이중 행성이 된다. 이때 두 행성의 거리는 행성 물리적 반지름 합의 2-4배 정도가 된다.[2] 이러한 거리가 발생하는 이유는 조석 포획에 적합한 접근 거리가 존재하고, 포획 후 원 궤도화 과정에서 각운동량이 보존되기 때문이다.[2]
5. 대중문화 속 이중행성
SF 작품에서 이중행성은 흥미로운 소재로 자주 사용된다. 명확한 고체 표면을 가진 행성끼리, 즉 지구형 행성이 이중행성이 된 곳을 이야기의 무대로 삼는 경우가 종종 있다. 대표적인 예로 우주전함 야마토의 이스칸다르와 가미라스를 들 수 있다.
참조
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웹사이트
Most Milky Way Stars Are Single
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Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
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논문
A common mass scaling for satellite systems of gaseous planets
https://www.nature.c[...]
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웹사이트
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논문
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웹사이트
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논문
The Public Communication Activities at the 2006 General Assembly (GA)
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서적
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서적
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웹사이트
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문서
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웹사이트
月は地球の衛星ではない【第1回】～常識を問い直しましょう～
http://www.gentosha-[...]
幻冬舎ルネッサンスアカデミー
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Arxiv
On the Possibility of Tidal Formation of Binary Planets Around Ordinary Stars
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논문
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논문
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