행성의 운동

행성의 운동

천구 상에서 위치가 고정된 다른 천체들과 달리 행성들은 천구 상에서 움직이기 때문에 옛사람들에게는 호기심의 대상이었다. 그러나 행성들의 이러한 움직임을 밝혀 내는 과정을 통해 자연을 대하는 인류의 관점은 주관적인 자세에서 점차 객관적으로 바뀌었고, 과학이 급속도로 발전하는 계기가 되었다.

 

▶ 지구 중심설과 태양 중심설

1609년 이탈리아의 과학자 갈릴레이는 손수는 제작한 망원경으로 금성을 관찰하던 중 금성도 달처럼 위상이 변한다는 사실을 확인하였다. 특히 금성이 보름달처럼 둥글게 보이는 경우를 관찰할 수 있었는데, 이는 당시 대부분 사람들이 믿었던 지구 중심설(천동설)로서는 설명하기 힘든 것이었다.

지구 중심설에서는 지구가 우주의 중심이고, 태양과 달, 행성들이 지구 둘레를 공전한다고 주장하고 있었다. 지구 중심설은 고대 그리스의 아리스토텔레스로부터 시작하여 2세기경 그리스의 천문학자 프톨레마이오스는 행성들이 천구 상에서 가끔씩 원래 공전 방향과는 반대방향으로 움직이는 역행 현상을 설명하기 위해 행성들이 자신의 공전 궤도 위에서 다시 작은 원을 그리며 돌고 있다고 설명하였다. 이처럼 행성들의 공전 궤도 위에 있는 작은 원들을 주전원이라고 불렀다.

이렇게 하면 복잡하기는 하지만 행성들의 역행 현상을 나름대로 설명할 수 있었다. 이러한 지구 중심설은 우주에서 인류가 우월하다는 믿음과 당시 관측 기술이 충분히 발달하지 못했던 점, 그리고 정치와 종교적인 영향 때문에 매우 오랫동안 사람들의 지지를 받아 왔다.

하지만 지구 중심설에 의구심을 가진 사람들도 있었다. 16세기경 폴란드의 코페르니쿠스는 지구 중심설을 통해 예견된 행성들의 움직임이 실제 관측 결과와 일치하지 않는데다 오히려 지구가 태양을 주심으로 움직인다고 생각하면 설명이 간단해진다는 사실을 깨달았다. 이와 같은 이론을 태양 중심설(지동설)이라고 한다.

이러한 태양 중심설에 대해 정밀한 천체 관측으로 유명한 덴마크의 천문학자 티코 브라해가 사실 여부를 확인하기 위해 별들의 연주 시차 측정을 시도해 보았으나 실패하는 바람에, 그는 더욱 복잡한 체계의 지구 중심설을 주장하게 되었다.

그러나 브라헤의 화성 관측 자료를 검토하던 독일의 천문학자 케플러는 브라헤의 관측자료는 지구 중심설보다 태양 중심설로 더 잘 설명할 수 있음을 깨달았다. 그러던 중 갈릴레이로부터 보름달처럼 보이는 금성의 모습을 확인했다는 소식을 들었고, 두 사람은 지구 중심설보다 태양 중심설이 천체의 운동을 훨씬 합리적으로 설명할 수 있다고 믿게되었다. 프톨레마이오스의 지구 중심설에서는 금성이 태양 뒤쪽으로 갈 수 없어 금성이 보름달처럼 보일 수 없었기 때문이다.

갈릴레이는 망원경으로 다시 목성을 관측하면서 목성 주위에서 4개의 작은 천체를 찾아냈고, 이 천체들이 목성 둘레를 돌고 있는 위성임을 확인하였다. 갈릴레이는 자신이 관측한 사실들을 케플러 같은 과학자들과, 이탈리아의 정치와 종교 지도자들에게 알리며, 이와 같은 자료들이 태양 중심설의 증거임을 주장하였다.

 

행성들의 겉보기 운동

태양계의 행성들은 모두 지구와 같은 방향으로 태양 둘레를 공전하고 있다. 하지만 지구에서 행성들을 관찰하면 행성들이 천구 상에서 매우 불규칙하고 복잡하게 움직이는 것처럼 보인다. 천구 상에 나타나는 이러한 행성들의 운동을 행성의 겉보기 운동이라고 한다.

행성의 겉보기 운동을 이해하기 위해서는 먼저 행성들의 위치 관계를 알아야 한다. 행성들을 그 궤도의 위치에 따라 분류하면, 수성과 금성처럼 지구 공전 궤도보다 안쪽에서 공전하는 행성들을 내행성이라고 한다.

또한 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성처럼 지구 공전 궤도보다 바깥쪽에서 공전하는 행성들을 외행성이라고 한다.

지구에서 볼 때, 내행성과 지구의 상대적인 위치 관계는 내행성이 태양과 같은 방향에 있을 때를 합이라고 한다.

내행성은 공전 궤도가 지구보다 안쪽에 있어서 천구 상에서 보면 늘 태양 근처에서만 보인다. 즉 태양이 뜨기 전에 동쪽 하늘에서, 태양이 진 후에 서쪽 하늘에서만 관측 할 수 있다. 이때 내행성이 천구 상에서 태양으로부터 떨어져 관측되는 각 거리를 이각이라고 한다. 내행성이 태양으로부터 서쪽 방향으로 가장 멀리 떨어진 위치에 있을 때를 서방 최대 이각, 태양으로부터 동쪽 방향으로 가장 멀리 떨어져 있을때를 동방 최대 이각이라고 한다.

내행성들은 공전 속도가 지구보다 빠르기 때문에 천구 상에서 순행과 역행을 반복하는데, 동방 최대 이각 부근부터 역행을 시작하여 내합을 지나 서방 최대 이각 부근에서부터 다시 순행하는 운동을 반복한다.

내행성들의 겉보기 운동과 비교하면, 외행성들의 움직임은 더 복잡하다.

외행성이 지구를 중심으로 태양과 직각으로 놓이는 때를 구라고 하며, 각각 서구와 동구로 구분한다.

화성은 태양 둘레를 공전하는 동안 천구 상에서 동족으로 운동을 하다가 어느 기간 동안에는 서쪽으로 운동을 한다. 즉 순행과 역행을 반복하는 것이다. 이것은 화성의 공전 궤도보다 안쪽에 위치한 지구의 공전 속도가 화성의 공전 속도보다 빠르기 때문에 나타나는 현상이다.

지구의 공전 궤도보다 바깥에 위치한 외행성들은 충의 위치 부근에서 겉보기 운동 방향이 바뀌게 된다. 외행성들이 충의 위치에 오면 태양과는 정반대 방향에 놓여 자정에 남중하게 되고 가장 밝아진다.