태양을 공으로 줄였더니, 지구가 교실 밖으로 나갔다

0. 서론: 행성 여덟 개를 놓는 데 동네가 필요하다

책상 위에 지름 20센티미터짜리 공을 올려놓아 봅시다. 오늘은 이 공이 태양입니다.

그 옆에 지구를 놓으려는데 문제가 생깁니다. 지구는 지름 약 1.8밀리미터짜리 작은 알갱이여야 합니다. 그리고 태양 공에서 약 22미터 떨어져 있어야 합니다.

책상 끝으로 조금 밀어서는 안 되겠군요. 교실 문을 열고 밖으로 나가야겠습니다.

가장 바깥쪽 행성인 해왕성까지 놓으려면 약 650미터를 걸어야 합니다. 책상 위에 만들려던 태양계가 어느새 동네 산책이 되었습니다. 책에서 행성들이 나란히 붙어 있던 것은 한눈에 보여 주려고 빈자리를 엄청나게 줄였기 때문입니다. 태양계에는 물건보다 빈 공간이 훨씬 많습니다. 행성의 크기와 거리 · 태양의 크기

작은 점이 지구입니다. 태양과 지구의 몸집 비율은 맞췄지만, 그림 속 두 천체 사이는 크게 줄였습니다. 실제 비율대로라면 지구를 찾으러 화면 밖으로 나가야 합니다.

다행히 오늘 탈 우주선은 상상으로 움직입니다. 연료 걱정은 접어 두고, 태양 가까이에서부터 바깥으로 나가 봅시다. 창가 자리는 여러분 것입니다.

1. 태양은 끌어당기는데, 지구는 왜 안 떨어질까?

먼저 동네 한가운데서 빛나는 태양입니다. 태양은 밤하늘의 별들과 같은 별입니다. 우리에게 아주 가까워서 유난히 크고 밝게 보입니다.

그 깊은 속에서는 수소라는 물질의 아주 작은 알맹이, 원자핵들이 합쳐집니다. 이때 에너지가 나오는 일을 핵융합이라고 합니다. 그 에너지 덕분에 태양이 빛나고 지구도 따뜻해집니다.

SDO가 자외선으로 관측한 태양입니다. 보이지 않는 빛을 보여 주려고 색을 입혔으며, 맨눈으로 보는 태양의 색은 아닙니다. 출처: NASA's Scientific Visualization Studio.

빛도 지구까지 순식간에 오지는 못합니다. 태양을 떠난 빛이 우리에게 닿기까지 약 8분 20초. 지금 얼굴에 닿는 햇빛은 조금 전 태양에서 출발한 손님입니다. 태양 이야기

그런데 태양은 중력으로 지구를 끌어당기기도 합니다. 그렇다면 지구는 왜 태양에 떨어져 버리지 않을까요?

지구가 옆으로도 빠르게 움직이기 때문입니다. 앞으로 나아가는 동안 태양의 중력이 길을 계속 안쪽으로 휘게 합니다. 지구는 태양 쪽으로 떨어지면서도 태양을 계속 비껴가는 셈입니다. 이처럼 다른 천체 둘레를 도는 움직임을 공전이라고 합니다. 우주에 동그란 레일이 놓여 있는 것은 아닙니다.

공전하는 지구는 팽이처럼 자기 몸도 돌립니다. 이것은 자전입니다. 자전해서 낮과 밤이 바뀌고, 태양 둘레를 한 번 공전하면 약 1년이 지납니다. 몸을 빙글 돌리며 운동장을 한 바퀴 걷는 모습을 떠올리면 됩니다. 실제로 하면 어지러우니 상상으로만 해도 충분합니다.

이제 그 보이지 않는 길을 따라 첫 정거장으로 갑니다.

2. 수성에서 화성까지, 네 이웃집 구경

태양 바로 옆의 수성은 얼굴에 둥근 구덩이가 많습니다. 오래전 다른 천체들이 부딪친 흔적입니다. 열을 붙잡거나 골고루 나눠 줄 공기가 거의 없어서, 햇빛을 받는 낮에는 몹시 뜨겁고 긴 밤에는 몹시 차갑습니다. 수성의 낮과 밤

태양에 가장 가까우니 가장 뜨거울 것 같지만, 다음 정거장이 더 심합니다.

금성은 두꺼운 구름으로 얼굴을 가렸습니다. 크기는 지구와 비슷한데, 그 아래는 우주선도 오래 버티기 힘든 세계입니다. 아주 두꺼운 이산화탄소 대기가 열이 우주로 빠져나가는 것을 강하게 막아, 표면은 수성보다도 뜨겁습니다. 집 안 온도를 알려면 태양까지의 거리뿐 아니라 무슨 공기를 얼마나 두르고 있는지도 봐야 하는군요. 금성이 뜨거운 이유

그다음 나타나는 파란 행성은 지구입니다. 바다, 구름, 산과 숲이 보입니다. 방금 본 두 곳과 비교하니 창문을 열고 숨을 쉴 수 있다는 사실부터 놀랍습니다. 지금까지 우리가 생명을 확인한 곳은 이 작은 행성뿐입니다.

회색 동반자인 달도 보입니다. 달처럼 행성 둘레를 도는 천체를 위성이라고 합니다. 달은 지구를 돌고, 지구와 달은 함께 태양을 돕니다. 큰 여행 안에 작은 여행이 들어 있습니다. 지구와 이웃 세계들

집을 지나면 붉은 화성입니다. 철 성분에 녹이 슬어 붉어진 먼지가 많습니다. 거대한 화산과 협곡, 오래전 물이 흘렀던 흔적도 있습니다. 지금은 춥고 메말랐지만, 예전에는 다른 풍경이었던 모양입니다. 탐사 로봇들은 바위와 흙을 살피며 그 옛이야기를 읽고 있습니다. 화성에 남은 흔적

그런데 여기서 잠깐, 지구의 밤하늘로 시선을 돌려 봅시다. 화성은 가끔 수상한 운전을 합니다.

3. 화성에도 후진 기어가 있을까?

여러 밤에 걸쳐 별들 사이의 화성을 관찰하면, 어느 때는 가던 방향을 바꾸어 뒤로 움직이는 듯 보입니다. 이것을 겉보기 역행이라고 합니다.

이 장면의 비밀은 화성보다 우리가 탄 지구에 있습니다.

지구는 태양에 더 가까운 작은 길을 약 1년에 한 번 돕니다. 더 바깥쪽의 화성은 한 바퀴에 거의 2년이 걸립니다. 그래서 지구는 때때로 화성을 따라잡아 추월합니다.

버스가 옆 차를 추월할 때를 떠올려 봅시다. 옆 차도 앞으로 달리는데, 창밖에서는 뒤로 밀려나는 듯합니다. 지구에서 보는 화성도 비슷합니다. 지구가 추월할 무렵에는 화성을 바라보는 방향이 달라져, 먼 별들을 배경으로 화성의 자리가 잠시 반대쪽으로 옮겨 갑니다.

화성이 실제로 태양 둘레를 거꾸로 돌기 시작한 것은 아닙니다. 두 행성 모두 원래 방향으로 계속 공전합니다. 추월하는 때가 지나면 화성은 별들 사이에서 다시 평소 방향으로 움직여 보입니다. NASA의 역행 설명

이것은 하룻밤 동안 하늘의 별들이 동쪽에서 서쪽으로 넘어가는 것과는 다른 이야기입니다. 여러 날, 여러 주 동안 주변 별과 비교한 화성의 자리를 이어 보면 나타납니다.

위쪽은 태양 위에서 본 모습, 아래쪽은 지구에서 별을 배경으로 본 화성입니다. 지구가 앞지를 때 아래쪽 화살표만 반대로 향합니다.

‘추월 중’을 눌러 보세요. 지구와 화성이 그려진 화면에서는 둘 다 같은 방향으로 도는데, 별을 배경으로 한 화면에서는 화성 화살표가 반대로 향합니다. 지구를 타고 보고 있다는 사실이 하늘의 움직임을 바꿔 보이게 하는 겁니다.

4. 영화 속 돌벽을 지나, 목성으로

화성과 목성 사이에는 소행성대가 있습니다. 영화라면 조종사가 바위를 피해 정신없이 방향을 꺾겠지만, 실제 창밖은 뜻밖에 조용합니다. 소행성들이 서로 멀찍이 떨어져 있기 때문입니다. 작은 돌 천체가 많다고 돌벽처럼 꽉 차 있는 것은 아닙니다.

이 작은 천체들에는 태양계가 어렸을 때의 재료가 남아 있습니다. 아주 작은 우주 알갱이가 지구 대기로 들어와 빛나는 자국을 만들면 별똥별이라고 부릅니다. 이름에 ‘별’이 있어도 태양 같은 별 하나가 뚝 떨어지는 일은 아닙니다. 소행성 · 별똥별

빈 공간 너머에서 목성이 기다립니다. 태양계에서 가장 큰 행성입니다. 구름 띠가 둘러져 있고, 유명한 붉은 얼룩은 거대한 폭풍입니다.

수성부터 화성까지는 주로 바위로 된 행성이었지만, 목성은 수소와 헬륨이 주재료인 가스 거인입니다. 구름 아래로 내려간다고 지구처럼 발을 디딜 땅이 나오는 곳은 아닙니다. 깊어질수록 물질이 엄청난 압력에 눌립니다. 이곳에서는 착륙 안내 방송을 기다리기 어렵겠습니다. 목성의 구름 아래

목성 둘레를 도는 위성 유로파에는 얼음 아래 바다가 있다는 강한 증거가 있습니다. 햇빛이 희미한 먼 곳에도 액체 바다가 숨어 있을 수 있는 겁니다. 바다의 증거가 생명 발견을 뜻하지는 않습니다. 그래서 더 궁금한 곳입니다. 유로파의 바다

그런데 목성의 앞뒤에도 동행이 있습니다. 이들은 목성의 위성과는 다르게 움직입니다.

5. 같은 길을 나눠 쓰는 친구들, 코오빗

목성이 태양을 도는 길의 앞쪽과 뒤쪽에 작은 천체들이 무리 지어 움직입니다. 트로이 소행성입니다. 목성 바로 앞뒤에 바짝 붙어 있는 것은 아닙니다. 둥근 길을 여섯 조각으로 나누면 대략 한 조각만큼 앞서거나 뒤처진 영역에 있습니다. 목성의 앞뒤를 도는 소행성들

이들은 목성 둘레를 도는 것이 아니라 태양 둘레를 돕니다. 목성과 비슷한 크기의 길을 돕니다. 조금 앞서거나 뒤처질 때도 있지만, 오랫동안 세어 보면 태양을 도는 횟수는 같습니다. 태양과 목성의 중력이 이 앞섬과 뒤처짐을 일정한 패턴으로 이어 줍니다. 이런 관계를 공궤도, 영어로 코오빗이라고 합니다.

같은 선 위에서 바짝 붙어 경주한다는 뜻은 아닙니다. 한 바퀴 도는 시간이 우연히 비슷하다는 이유만으로 모두 공궤도인 것도 아닙니다.

이제 태양 위쪽에 카메라를 놓아 봅시다. 행성이 늘 화면 오른쪽에 보이도록 카메라도 함께 돌립니다. 그러면 작은 천체가 행성 앞쪽이나 뒤쪽의 한 구역을 천천히 오가는 자취가 보입니다. 그 길이 올챙이처럼 생겼다고 올챙이 궤도라고 부릅니다.

다른 공궤도 운동에는 더 넓게 오가는 것도 있습니다. 함께 도는 화면에서 행성의 앞쪽에서 멀어져 뒤쪽까지 돌아갔다가 다시 되돌아옵니다. 길을 그리면 말굽 궤도가 됩니다. 행성 가까운 곳에 틈을 남기고 양 끝에서 되돌아오는 길이라 말굽처럼 보입니다.

이때 중력은 작은 천체가 도는 길을 조금씩 바꿉니다. 조금 작은 길에서는 한 바퀴를 빨리 돌고, 큰 길에서는 늦게 돕니다. 그래서 행성에 비해 앞서거나 뒤처지는 움직임이 생기고, 그 차이가 다시 되돌아옵니다. 올챙이와 말굽 운동

이 두 자취는 행성과 함께 도는 카메라에서 보입니다. 태양을 도는 실제 길이 올챙이나 말굽 모양으로 꺾여 있다는 뜻은 아닙니다.

시간 막대를 움직이고 카메라를 바꿔 보세요. 함께 도는 화면에서는 올챙이나 말굽이 보이지만, 방향을 고정한 카메라에서는 두 천체 모두 태양을 같은 방향으로 계속 돕니다.

화성의 역행도, 올챙이와 말굽도, ‘어디에서 보고 있지?’를 물으면 풀리기 시작합니다.

화면에서 뒤로 간다고 실제 공전까지 거꾸로 되는 것은 아닙니다.

6. 고리와 누운 팽이를 지나, 마지막 행성까지

다음 창문에 토성이 들어옵니다. 설명을 듣기 전부터 알아볼 수 있습니다. 고리가 있습니다.

사진에서는 매끈한 원반처럼 보이지만, 가까이 가면 수없이 많은 얼음과 돌 조각이 각자 토성 둘레를 돌고 있습니다. 접착제로 붙인 한 장의 판이 아닙니다. 저 위에 내려앉아 산책하려던 계획은 취소해야 합니다. 토성도 목성처럼 가스 거인입니다. 토성의 고리

카시니가 2004년 10월 6일 촬영한 토성과 고리입니다. 여러 장을 합친 자연색 모자이크로, 검게 보이는 곳에는 그림자가 드리워져 있습니다. 출처: NASA/JPL/Space Science Institute.

더 나가면 연한 청록색 천왕성입니다. 도는 자세가 독특합니다. 지구를 팽이에 비유하면, 천왕성은 팽이를 거의 옆으로 눕혀 놓은 모습입니다. 그렇게 크게 기운 채 자전하며 태양 둘레를 돕니다. 누워 도는 천왕성

마지막 행성 해왕성은 한 바퀴 도는 데 지구 시간으로 약 165년이 걸립니다. 이곳에서 첫 생일을 맞으려면 지구에서는 몇 세대가 지날 수도 있습니다. 멀고 차가운 곳이라고 고요한 것은 아닙니다. 대기에는 아주 빠른 바람이 붑니다. 해왕성의 긴 1년

천왕성과 해왕성은 얼음 거인이라고도 부릅니다. 물이나 메탄처럼 차가운 곳에서 얼 수 있는 성분이 내부에 많이 들어 있다는 데서 나온 이름입니다. 눈사람을 세울 수 있는 커다란 얼음 땅이라는 뜻은 아닙니다. 깊은 내부는 뜨겁고 압력이 높습니다.

여덟 행성의 몸집을 같은 비율로 비교했습니다. 줄 세운 간격은 실제 거리와 다릅니다. 작은 바위 행성 넷을 지나왔더니, 뒤쪽 네 행성은 정말 거인이군요.

그런데 여덟 행성을 모두 봤다고 태양계도 끝일까요?

7. 마지막 행성 뒤에도 주민이 있다

해왕성 너머에는 얼음이 많은 작은 천체들이 모인 넓은 카이퍼대가 있습니다. 명왕성도 이 동네의 주민입니다. 지금은 왜행성으로 분류하지만, 이름표가 바뀌었다고 산과 얼음 들판이 있는 그 세계가 사라진 것은 아닙니다. 여덟 행성은 큰 이정표이지 주민 명부의 전부가 아닙니다. 명왕성과 이웃들

먼 천체들이 움직이는 길을 보고, ‘여기에 아직 못 찾은 큰 행성이 있을까?’ 하고 추측하는 연구도 있습니다. 제9행성은 그 가설에 붙인 이름입니다. 아직 발견된 행성은 아닙니다. 숨어 있는 행성을 찾는 연구

차가운 바깥 지역에서 안쪽으로 찾아오는 손님도 있습니다. 혜성입니다. 얼음과 먼지가 섞인 몸이 태양에 가까워지면 기체와 먼지를 내보내고, 긴 꼬리가 만들어집니다.

꼬리는 달리는 방향의 뒤쪽에 늘 붙는 것이 아닙니다. 태양빛과 태양에서 날아오는 입자들이 물질을 밀어내므로 대체로 태양 반대쪽으로 펼쳐집니다. 먼지 꼬리는 휘기도 합니다. 혜성이 태양에서 멀어질 때는 꼬리가 몸보다 앞서 뻗은 듯 보일 수도 있습니다. 꼬리만 보고 진행 방향을 찍으면 틀릴 수 있겠군요. 혜성 꼬리의 방향

태양이 계속 내보내는 입자들의 흐름을 태양풍이라고 합니다. 이 바람이 별들 사이의 물질을 밀어내며 만든 커다란 영역이 태양권입니다. 그 경계를 넘었다고 태양 중력이 뚝 끊기는 것은 아닙니다. 바람이 만드는 영역과 중력으로 천체가 묶여 있는 영역은 다릅니다. 태양권의 경계

훨씬 더 먼 곳에는 얼음 천체들의 저장고인 오르트 구름이 있을 것으로 생각합니다. 전체 모습을 직접 본 것은 아닙니다. 아주 먼 곳에서 오는 혜성들의 길을 보고 그런 저장고가 있으리라고 추정합니다. 먼 혜성들의 고향

다음 별로 건너가고 싶지만, 가장 가까운 다른 별까지도 빛으로 가는 데 4년이 넘게 걸립니다. 지구에서 태양까지는 8분 20초였는데, 이제는 여러 해입니다. 동네 끝에 왔더니 훨씬 더 큰 빈 공간이 나타났습니다. 가장 가까운 다른 별

이쯤에서 우주선을 돌려 집으로 갑시다.

8. 마무리: 우리는 처음부터 우주선에 타고 있었다

우리가 둘러본 세계는 약 46억 년 전, 가스와 먼지 구름에서 시작되었습니다. 구름이 중력으로 뭉치면서 가운데에는 태양이 생겼고, 그 둘레의 납작한 원반 속 물질들이 모여 행성과 작은 천체들을 이루었습니다. 서로 아주 달라 보이던 세계들이 같은 출발점을 가졌습니다. 태양계의 탄생

앞으로 약 50억 년쯤 뒤에는 태양도 크게 부풀어 오르는 변화를 겪을 것입니다. 이 동네의 풍경이 영원히 같지는 않습니다. 지금 우리가 보는 태양계는 그 긴 역사 가운데 우리가 살게 된 한 장면입니다. 태양의 미래

다시 지구가 보입니다. 멀리서는 학교 이름도, 우리 집 주소도 읽을 수 없습니다. 푸른색과 흰색이 섞인 작은 공 하나가 어둠 속을 돕니다.

그 작은 곳에 오늘 먹을 저녁이 있고, 아직 안 끝낸 숙제가 있고, 나를 기다리는 사람이 있습니다.

이제 밤하늘의 화성을 보면 추월하는 지구를 떠올릴 수 있습니다. 목성 사진을 보면 앞뒤에서 함께 도는 작은 친구들도 생각나겠지요. 가만히 서서 하늘을 보고 있어도 우리 발밑의 지구는 계속 움직입니다.

여행은 끝났지만 우주선에서 내릴 필요는 없습니다. 우리는 처음부터 타고 있었습니다.