[과학] 행성의 분류 : 지구형 행성과 목성형 행성

우리 태양계에는 다양한 형태와 특징을 가진 행성들이 존재합니다.

이 가운데 가장 흔히 알려진 것은 지구형 행성과 목성형 행성입니다.

지구형 행성과 목성형 행성의 특징을 비교하고,

이들이 서로 다른 이유를 알아봅시다.

 

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지구형 행성과 목성형 행성

 

태양계 행성은 물리적인 성질에 따라 지구형 행성과 목성형 행성의 두 부류로 뚜렷이 나누어집니다. 지구형 행성은 태양에 비교적 가까이 위치하므로 탐사선을 이용한 관측이 많이 이루어졌습니다.

 

(1) 지구형 행성 : 지구형 행성은 태양에 가까이 위치한 수성, 금성, 지구, 화성입니다.

지구형 행성은 주로 암석과 금속로 이루어진 작은 크기의 행성을 가리킵니다. 이러한 행성들은 흔히 암석 지각로 둘러싸여 있고, 고온의 중심부를 가지며, 비교적 높은 밀도를 가지고 있습니다. 지구, 수성, 금성, 화성, 토성의 위성인 타이탄 등이 지구형 행성에 속합니다. 이들은 지구와 유사한 특성을 가지고 있으며, 고체 표면, 대기, 물 등이 존재할 수 있습니다.

 

지구형 행성 (이미지출처 : 한국천문연구원, https://astro.kasi.re.kr/)

 

(2) 목성형 행성 : 목성형 행성은 화성 바깥 궤도에 있는 행성들로, 목성과 토성, 천왕성, 해왕성 이 이에 속합니다.

목성형 행성은 주로 가스와 액체로 이루어진 거대한 행성을 가리킵니다. 이러한 행성들은 주로 수소와 헬륨으로 구성되어 있으며, 상당히 낮은 밀도를 가지고 있습니다. 대기 중에는 수많은 가스가 존재하며, 내부에는 압력이 높아 압축된 가스 형태의 내부 구조를 가지고 있습니다. 목성, 토성, 천왕성, 해왕성 등이 목성형 행성에 속합니다. 이들은 대기권이 두꺼워서 지구형 행성과 달리 고체 표면이 없습니다.

* 천왕성과 해왕성도 과거에는 유사한 구성으로 여겨졌으나 행성탐사가 이루어지면서 가스와 중심부와의 비율이 자세히 알려진 결과, 목성 및 토성과는 구성이 크게 다르다는 것이 판명되었습니다. 때문에 목성과 토성(거대가스행성)만을 목성형 행성이라고 하고, 천왕성과 해왕성은 천왕성형 행성(거대얼음행성)으로 분류하는 경우도 있습니다.

 

목성형 행성 (이미지출처 : 한국천문연구원, https://astro.kasi.re.kr/)

 

지구형 행성과 목성형 행성의 특징

(1) 질량과 반지름: 목성형 행성은 지구형 행성에 비하여 질량과 반지름이 매우 큰편입니다.

다음은 행성의 크기를 비교할 수 있는 이미지 자료입니다. 

 

행성의 크기 비교 (이미지출처 : 한국천문연구원, https://astro.kasi.re.kr/)

 

(2) 평균 밀도

① 지구형 행성

지구형 행성은 질량과 반지름이 작지만 철, 규소, 마그네슘 등의 무거운 원소 로 이루어져 있기 때문에 평균 밀도가 3.4~5.6 g/cm에 이를 정도로 큽니다.

지구형 행성들은 생성 초기에 방사성 물질의 붕괴, 외부 운석의 충돌 등에 의한 에너지로 액체 상태였으나 밀도에 따른 물질의 분화가 일어나면서 무거운 원소인 철은 중심 쪽으로 가라앉아 핵을 형성하게 되었습니다. 이러한 핵이 행성의 자전에 의해서 자기장을 만들기도 합니다. 지구형 행성 중에서 수성은 지구와 마찬가지로 금속질의 철과 니켈로 이루어진 핵을 가지고 있습니다. 그러므로 지구보다는 세기가 약하지만 자기장을 형성합니다. 그러나 금성은 지구나 수성보다 자전 속도가 훨씬 느리므로 자기장을 형성시키는 작용이 활발하지 못하여 자기장이 대단히 약할 것으로 추정하고 있습니다.

 

② 목성형 행성

목성형 행성은 질량과 반지름이 크지만 수소와 헬륨 등 가벼운 원소로 이루어 져 있기 때문에 평균 밀도가 0.7~1.4 g/g/cm로 작습니다. 목성형 행성은 대기가 매우 두꺼워서 내부의 고체 부분은 압력에 의해 압축되고 압력이 높아질수록 밀도가 증가합니다. 그러나 전체적인 평균 밀도는 여전히 매우 낮기 때문에 목성형 행성은 가볍고 천체의 구조와 특징은 주로 가스 형태로 이루어져 있습니다.

실제로 목성 자체는 태양계에서 가장 큰 행성으로 알려져 있습니다. 그러나 그 크기에 비해 상대적으로 작은 질량을 가지고 있어서 낮은 밀도를 보입니다. 목성의 평균 밀도는 약 1.33 g/cm³이며, 이는 약 1/4 지구의 평균 밀도인 5.52 g/cm³보다 훨씬 낮습니다.

 

 

(3) 대기

① 지구형 행성 : 지구형 행성 중 수성은 대기가 없고, 대기를 가지고 있는 금성과 지구, 화성은 목성형 행성에 비하여 대기층이 얇습니다. 대기 성분은 이산화탄소, 질소, 산소 등 무거운 기체로 되어 있습니다.

 

② 목성형 행성 : 대기층이 두껍고, 주요 대기 성분은 수소, 헬륨, 메테인, 암모니아 등 가벼운 기체로 되어 있습니다.

 

(4) 고리의 존재와 위성의 수

① 고리의 존재 : 지구형 행성은 고리가 없지만 목성형 행성은 얼음과 암석 조각으로 이루어진 여러 겹의 고리가 존재합니다.

② 위성의 수: 지구형 행성 중 위성을 거느리는 행성은 지구와 화성뿐이고 위성의 수도 지구 1 개, 화성 2개로 지구형 행성이 거느리는 위성의 수는 적습니다. 반면, 최근까지 알려진 목성의 위 성은 63개, 토성의 위성은 이름이 알려진 60개와 이름 없는 작은 위성 수백 개, 천왕성의 위성은 27개, 해왕성의 위성은 13개 등 목성형 행성은 많은 수의 위성을 거느립니다.

 

(5) 자전 주기와 편평도

① 자전주기 : 지구형 행성의 자전주기는 수성 약 59일, 금성 약 243 일, 지구와 화성은 약 24 시간으로 목성형 행성의 자전 주기인 9~17시간에 비하면 자전주기가 깁니다.

 

② 편평도 : 행성의 모양이 납작한 정도를 나타내는 값으로, 행성이 빠르게 자전할수록, 즉 자전 주기가 짧을수록 원심력이 크게 작용하므로 편평도가 큽니다. 그러므로 자전 주기가 짧은 목성형 행성의 편평도가 지구형 행성의 편평도보다 큽니다.

토성은 자전 주기가 약 10.7시간으로 매우 짧고, 평균 밀도가 작아 변형이 일어나기 쉽기 때문에 모든 행성들 중 편평도가 가장 큽니다. 지구형 행성과 목성형 행성의 특징이 다른 이유 태양계 형성 초기에 태양과 가까운 곳은 물이 기체 상태로 존재하였으나 태양으로부터 먼 곳은 얼음 상태로 존재하였기 때문입니다. 얼음은 주위의 물질을 더 쉽게 끌어당겨 행성의 크기가 빠르 게 성장하였고, 가벼운 기체들도 끌어당겨 거대한 목성형 행성이 되었습니다. 반면, 물이 기체 상태로 존재하였던 행성들은 빠르게 성장할 수 없었기 때문에 가벼운 기체 성분들을 끌어 당길 수 없었고, 강력한 태양풍이 이들을 날려 보내 암석을 주성분으로 하는 지구형 행성이 되었습니다.