모든 궤도가 원형이 아닌 이유

 

왜 일부 천체는 올챙이나 말굽 모양의 궤도를 가지고 있을까?

 

토성의 146개 위성은 고리 모양의 행성 궤도를 돌고 있습니다. (이미지 출처: 게티 이미지 플러스)

 

많은 태양계 지도는 우주의 모든 것이 완벽한 동심원을 그리며 움직이는 것처럼 보이게 합니다. 행성은 태양 주위를 공전하고, 달은 행성 주위를 공전합니다. 그렇다면 우주의 모든 것이 그렇겠죠?

 

그렇지 않습니다. 궤도는 모든 종류의 모양을 형성합니다. 웨스턴 온타리오 대학교의 천문학자인 폴 위거트(Paul Wiegert)는 라이브 사이언스와의 인터뷰에서 "행성과 다른 천체가 완벽한 원을 그리며 도는 경우는 거의 없다"고 말합니다. 혜성은 소위 쌍곡선 궤도를 그리는데, 이는 한 지점에서 돌았다가 다시 돌아오는 것을 의미합니다. 소행성은 행성 주위를 복잡한 고리로 돌 수 있습니다. 심지어 달의 궤도도 흔들리며 지구 주위를 돌면서 해마다 천천히 확장되고 있습니다.

 

그렇다면 이러한 다양한 경로는 어떻게 형성될까요?

 

먼저, 우주에서의 움직임에 대한 물리학을 이해하는 것이 중요합니다. 궤도에는 두 가지 주요 힘이 작용합니다. 첫 번째는 운동량입니다. 물체가 움직일 때는 특정 방향으로 물체를 추진하는 운동량이 있습니다. 궤도 역학을 연구하는 애리조나 대학교의 교수인 레누 말호트라는 두 번째는 중력, 즉 끌어당기는 힘이라고 말합니다. 물체, 특히 행성처럼 큰 물체는 중력이 강하기 때문에 움직이는 물체를 자기 쪽으로 끌어당길 수 있습니다. 운동량의 밀기와 중력의 당김이 함께 궤도를 형성합니다.

 

태양 궤도를 도는 소행성을 보여주는 그림입니다. 과학자들은 소행성대가 목성의 중력 영향으로 인해 형성되지 못한 행성이라고 생각합니다. (이미지 출처: 게티 이미지를 통한 스톡트렉 이미지)

 

 

중력과 운동량이 균형을 이룰 때 궤도는 이론적으로 타원 또는 타원형을 이룹니다. 이는 행성의 움직임을 설명하기 위해 수학적 모델을 구축한 17세기 독일 과학자 요하네스 케플러에 의해 밝혀졌습니다. 케플러 이전에는 과학자들은 행성이 완벽한 원을 그리며 움직인다고 생각했습니다. 하지만 태양계의 모든 행성 중 가장 타원형인 화성의 궤도는 이러한 모델에 맞지 않았습니다. 케플러는 타원이 화성의 경로에 대한 해답이라는 것을 알아내고 다른 행성의 경로도 설명하여 오늘날 우리가 궤도를 이해하는 방법의 기초가 되는 법칙을 만들었습니다.

 

그러나 케플러가 이론화한 타원 궤도는 행성, 소행성 및 기타 천체의 실제 궤도에 대한 근사치일 뿐이라고 말호트라는 라이브 사이언스와의 인터뷰에서 말했습니다. 실제로 물체에 가해지는 운동량과 중력의 힘은 끊임없이 변화합니다. 운동량이 너무 강하거나 중력이 너무 약하면 다른 패턴이 형성될 수 있습니다. 예를 들어 혜성은 태양의 중력에 끌리지만 운동량이 매우 높습니다. 이 때문에 혜성은 은하계를 한 지점에서 다음 지점으로 이동하며 긴 타원형 궤도를 형성할 수 있습니다.

 

 

태양계를 가로질러 긴 고리를 그리며 여행하는 할리스 혜성의 애니메이션. (이미지 출처: nagualdesign; 위키백과 커먼즈; (CC-BY 4.0 Deed))

 

 

말호트라는 우주에 존재하는 방대한 양의 물체도 궤도의 역학을 복잡하게 만들 수 있다고 말합니다. 물체가 많을수록 중력원이 많아져 행성의 움직임이 더 복잡한 경로로 뒤틀리고 회전할 수 있습니다.

 

예를 들어, 소행성이 태양계를 통과하는 경우 태양뿐만 아니라 근처의 행성에 의해 당겨지는데, 이를 위거트는 "역학적 관계"라고 불렀습니다. 이러한 천체는 종종 준위성 또는 준달이라고 불립니다.

 

 

 

 

트로이 소행성은 목성 및 태양과 역동적인 관계를 맺고 있습니다. 트로이 소행성은 기술적으로 태양 주위를 돌며 목성의 궤도를 공유하며 목성의 바로 앞이나 뒤에서 공전합니다. 그러나 목성의 중력은 또한 소행성들을 목성 주위를 휘어진 타원형 궤도로 끌어당깁니다. 이러한 궤도는 올챙이 또는 말굽과 비슷하여 한 지점에서 다음 지점으로 시소처럼 움직일 수 있습니다.

 

서기 1600년에서 2500년 사이의 궤도를 보여주는 지구 근접 소행성인 2010 TK7의 애니메이션. (이미지 크레딧: Phoenix7777; 위키미디어 커먼즈; (CC-BY 4.0 허락))

 

또 다른 예로는 최근 지구 근처에서 발견된 준위성으로 달의 조각으로 추정되는 카모오알레와가 있습니다. 동료들과 함께 이 준위성에 관한 여러 논문을 발표한 Malhotra는 "실제로는 태양을 공전하고 있지만 지구의 중력에 의해 궤도가 많이 수정될 정도로 가깝게 공전하고 있습니다."라고 말합니다.

 

그녀는 이러한 "비정상적인 궤도는 매우 불안정하다"고 말했습니다. 하지만 카모오알레와가 흥미로운 점은 수세기 동안 지구 주위를 맴돌았다는 점입니다. 그녀는 궤도에서 작용하는 모든 역동적인 힘 사이에서 틈새를 발견했다고 말했습니다.

 

 

 

 

출처. 

Why aren't all orbits circular?