수성 (Mercury) : 태양계에서 가장 작은 지구형 내행성

이번 포스팅에서는

태양계에서 태양과

가장 가까운 지구형 행성인

수성에 대하여

알아보도록 하겠습니다.

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수성 / Mercury

 

수성은 태양에서의 거리가 0.4 AU(AU=149,597,870,700 m)로 태양에 가장 가까운 행성이며 동시에 질량이 지구의 0.055배 밖에 안 되는 태양계에서 가장 작은 행성입니다. 수성에는 위성이 없고, 수많은 충돌 크레이터와 쭈글쭈글한 거대한 절벽 등의 지질학적 특징이 있는 것으로만 알려져 있습니다.

 

이 절벽은 태양계 역사의 초기에 수성이 수축해서 생긴 것으로 보입니다. 수성의 대기는 거의 무시해도 좋을 정도로 그 두께가 얇고 수성의 커다란 핵과 그에 비해 상대적으로 얇은 맨틀은 그 성분이 아직 확실히 밝혀지지 않았습니다. 수성에 대한 탐사는 거의 없었는데, 1950년 이래로 현재까지 수성 탐사선은 매리너 10호와 메신저 뿐이었습니다.

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1.    수성의 크기 및 구성에 대한 간단한 설명

 

1)   둘레 및 반지름

 

①   둘레 - 43,924 km

②   반지름 - 57,909,176 KM / 타원형이므로 긴 반지름을 나타낸 수치입니다.
         0.387 098 93 AU

      적도지름 – 4879.4km (지구의 0.383배)

 

2)   표면적  

 

     7.5×107 km2;
    (지구의 0.147 배)

 

3)   부피와 밀도

 

①   6.083×1010 km3 (지구의 0.056 배)

②   5.427 g/cm3

 

4)   질량 및 중력

①   3.302×1023 kg (지구의 0.055 배)

②   3.701 m/s2  (0.377 g)

 

5)   장축단( apsis)

 

타원궤도에서 초점에서의 거리가 가장 먼 원점(apoapsis)과 가장 가까운 근점(periapsis)을 함께 부르는 말이다.

 

①   근일점 (q)	46,001,272 km 0.307 499 51 AU
②   원일점 (Q)	69,817,079 km 0.466 698 35 AU

 

 

6)   공전주기

 

87.969 34 일
(0.240 846 9 년)

 

7)   자전주기 및 자전속도

①   자전 주기 58.6462 일 (58일 15.5088시간)

②   자전속도 10.892 km/h

 

8)    겉보기 등급

      -1.9

 

9)    온도

①   최저 온도	100 K (적도) 80 K (극)
②   평균 온도	340 K (적도) 200 K (극)
③   최고 온도	700 K (적도) 380 K (극)

 

10)                  대기권의 구성

 

①   대기압 – 극미량

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2.   수성에 대한 자세한 정리

 

1)   수성이란 ?

 

수성(水星, Mercurius, Mercury)은 태양을 항성으로 도는 태양에서 평균 5,800만 km 떨어진 가장 가까운 궤도를 도는 행성입니다. 태양계 모형만 보면 감이 잘 오지 않겠지만, 가장 가깝다는 태양과 수성 사이의 거리는 사실 태양 지름의 약 41배나 될 정도로 멉니다.

 

반지름 약 2,400km, 둘레 439,264km로 가장 작은 지구형 내행성이기도 합니다.

공전주기는 88일이고 자전주기는 58일입니다.

밀도는 5.427g/cm3입니다. 핵은 수성 전체 반지름 70 % 이상을 차지하는 부분은 지구의 구성과 매우 다르고 철을 주성분으로 할 것으로 추정됩니다. 규산염으로 구성된 맨틀이 그 바깥을 차지합니다.

 

표면은 달과 비슷하게 크레이터가 많으며, 행성이 식으면서 수축할 때 형성된 거대한 절벽이 존재합니다.

나트륨, 칼륨 등으로 구성된 대기가 있기는 하지만, 그 대기는 지구의 1조 분의 1로 매우 희박합니다. 또한, 약한 자기장도 존재하는 것으로 확인되었습니다.

행성 중 태양에 가장 가깝기 때문에 강력한 중력의 영향을 많이 받아 매년 조금씩 궤도가 움직입니다..

 

2) 수성의 형성과 성장

  

태양이 생겨나고 남은 가스 구름 및 먼지로 이루어진, 원반 모양인 ‘태양 성운’에서 여러 행성이 생성되었다고 되었다는 가설로 시작합니다. 

현재 인정받는 행성 생성 이론은 강착이론입니다.

 

강착이론은, 행성들이 중심부의 원시별 주위를 도는 먼지 알갱이들이 뭉치면서 행성으로 되었다는 이론입니다. 이 알갱이들은 직접 서로 충돌하면서 지름이 1~10킬로미터에 이르는 천체, 곧 미행성으로 성장하였습니다. 이 미행성은 작은 천체를 빨아들이면서 수백만 년에 걸쳐 매년 15센티미터 정도씩 지름을 성장 시켜 왔습니다.

 

태양과 가까운 지역(4천문단위 이내)은 온도가 높아서 물이나 메테인과 같은 휘발성 분자들이 압축될 수 없었기 때문에, 여기서 생겨난 미행성들은 금속류(철, 니켈, 알루미늄) 및 규산염 암석 등과 같이 녹는점이 높은 물질로만 이루어지게 되었습니다. 이런 암석 천체는 결국으로 수성과 함께 금성, 지구, 화성등의 지구형 행성으로 성장하였습니다.

지구형 행성을 이루는 물질은 우주에서 매우 희귀한 존재이기 때문에(성운 질량 0.6퍼센트에 불과), 지구형 행성은 크게 자라날 수가 없었습니다.

 

 아기 암석 행성은 현 지구 질량의 약 10퍼센트 수준까지 자랐고, 태양 생성 후 약 10만 년 동안 물질을 끌어모으는 것을 멈췄습니다. 이후 이들은 충돌하고 뭉쳐지는 과정을 다시 시작하였고 이 충돌 과정은 약 1억 년 동안 지속되었습니다. 이들 원시 행성은 서로 중력으로 영향을 미쳤을 것으로 보이며, 각자의 공전 궤도를 끌어당기면서 서로 충돌했고, 지금의 크기로 자라나게 되었다고 보고 있습니다. 이 충돌 과정 중 수성을 강타한 충돌은 수성의 외포층을 날려 보냈다고 예측하고 있습니다.

 

4)  수성의 구조

 

수성은 지구형 행성 중 하나라는 것은 여러 번 알려드렸습니다. 수성 표면은 암석으로 이루어져 있습니다. 수성은 태양계 행성들 중 가장 반지름이 작은 행성으로, 구체적인 크기는 2439.7 km입니다. 특히, 태양계 내 위성 중에서 가니메데나 타이탄은 수성보다 반지름이 큽니다만 수성이 이들 위성들보다 무게가 더 무겁습니다.

 

수성은 질량의 70 %는 금속입니다. 나머지 30 %는 규산염 물질로 이루어져 있고 그 밀도는 지구의 5.515 g/cm³ 다음으로 큰 5.427 g/cm³입니다.

지구는 자체 중력의 영향으로 내부 물질이 더 조밀하게 뭉쳐 있기 때문에 압축되지 않은 조건으로 비교할 경우 수성의 밀도는 5.3 g/cm³으로 지구의 4.4 g/cm³보다 크다고 할 수 있습니다. 이를 통해 실질적으로 수성이 태양계 행성들 중 가장 작은 행성이지만 밀도는 가장 큰 천체임을 알 수 있습니다.

 

①   지각  - 100–300 km 두께

②   맨틀 - 600 km

③   핵 - 반지름 1,800 km

 

수성의 밀도를 알아내서 그 내부 구조를 추측할 수 있습니다. 지구의 밀도는 수치상으로는 크지만 사실 자체 중력으로 인하여 내부가 압축된 상태로서 , 수성은 부피가 지구보다 훨씬 더 작고 내부 또한 그리 압축되어 있지 않습니다. 이 같은 수성의 큰 밀도는 내부 핵 크기가 크고, 핵에 포함된 철 함량이 풍부하다는 예측이 가능해집니다. 지질학자들은 수성의 핵 부피가 전체 대비 42 %(지구는 17 %)일 것이라고 추측하며, 특히, 최근 연구로 수성의 핵이 용융 상태라는 것이 밝혀졌습니다.

 

중심핵 바깥쪽에는 두께가 600km인 맨틀이 존재하는데, 과학자들은 수성이 생성된 뒤 얼마 지나지 않아 수 백 km 에 이르는 천체가 수성을 강타하여, 원래 존재했던 맨틀 상당량을 날려보내고 지금의 얇은 맨틀층만을 남겼을 것이라고 추측하고 있습니다. 만약 미지의 천체가 수성을 강타한 게 사실이라면, 강타 전 수성의 맨틀 두께는 훨씬 두꺼웠을 것이라고 예측하고 있습니다.

 

수성을 관측한 매리너 10호의 자료와 지구상에서 관측한 결과에 의하면 수성 지각의 두께는 약 100 – 300 km 인 것이 알려졌습니다. 수성 표면에는 수많은 좁은 계곡들이 존재하는데, 이들 중 일부는 수 백 km 길이로 펼쳐져 있습니다. 이들은 지각이 식었을 때 수성의 핵과 맨틀이 수축하면서 생겨난 것으로 보입니다.

 

수성 핵에는 다른 태양계 행성보다 많은 철로 이루어져 있다는 이론 여러 종류가 제시되었습니다. 그 중 널리 인정되는 이론 3 가지가 있습니다.

첫 번째 이론은, 원래 수성 질량은 지금보다 2.25 배 컸으며, 다른 암석 물질과 함께 콘라이트 운석과 비슷한 규산염 및 철질 구조로 이루어져 있었는데, 태양계 형성 초기 시절, 질량의 6분의 1에 달하는 거대한 미행성과 충돌하여 원시 수성의 지각과 맨틀 상당량이 우주로 날아갔고 상대적으로 무거운 물질만 남아서 지금 같은 형태를 이루게 되었다는 이론입니다.

 

두 번째 이론은, 원시 태양이 내뿜었던 열기로 인해 수성 표면이 증발했다는 이론인데요, 수성은 태양의 복사 에너지 방출량이 안정되기 전 태양의 성운에서 형성되었고, 현재 질량 두 배 정도의 크기였습니다. 원시 태양이 수축하면서 수성 근처 온도는 2,500 - 3,500 K 까지 상승하여(심지어 10,000 K 이상일 것으로 추측하기도 함) 그 높은 온도 때문에 수성 표면의 대부분이 '암석 증기' 형태로 변해, 항성풍에 실려 날아갔다는 이론입니다.

 

세 번째 이론은, 초반부에 설명 드렸던 것 처럼, 태양 성운에서 수성이 생겨나면서 강착단계에 접어들면서 가벼운 입자들을 끌어당겼다는 이론입니다.

 

위 세 이론은 현재 수성 표면 조성을 각자 다른 상태로 가정하고 있지만, 앞으로 수성 관측을 담당하게 될 메신저와 베피콜롬보 미션은 세 이론 중 어느 것이 옳은지를 검증하는 기회를 포착하게 될 것이라 믿고 있습니다.

 

5)  수성의 구성

행성을 이루는 구성 성분으로는 철이 64.13%로 가장 많으며 니켈도 3.66%로 지구의 2배나 됩니다. 모든 원소들이 다 존재하지만 수소는 0.4ppm으로 지구의 1% 수준으로 매우 적고 산소도 14.44%로 지구의 2/3 정도밖에 되지 않습니다. 철의 보유가 높아서 철 캐러 가려 해도 현재로서는 산소와 수소, 기온 등등 많은 이유로 ^^;; 가는 건 불가능해 보입니다.

 

6) 수성의 중력

 

지구의 37.7%밖에 안 될 정도로 약합니다. 물론 이 중력의 차이 때문에 밀도의 비교에도 앞서 설명 드린 것 같은 묘미가 있는 것이겠습니다. 이 중력은 지구에서 체중이 100kgf 나가는 사람이 수성에 가면 겨우 37.7kgf 밖에 나가지 않는다는 의미와 같습니다.

 

7) 수성의 크기 및 질량

 

태양계의 정규 행성들 중 가장 작다는 것은 여러 번 설명하여 드렸는데요, 지구와 비교했을 때 상당히 작은 행성으로, 총 질량이 지구의 5% 수준이지만 밀도는 지구의 98% 정도로 지구의 밀도와 거의 같습니다.

 앞서 설명한 바와 같이 태양계의 위성들 중 가니메데, 타이탄은 수성보다 크기가 크고 칼리스토와도 큰 차이가 없지만, 수성의 밀도가 훨씬 높아 수성의 질량은 가니메데의 2배를 훌쩍 넘습니다.

 

8) 수성의 표면

 

전체적으로 수성 표면은 달에 있는 바다와 유사한 평원과, 수십억 년 동안 활동하지 않는 큰 충돌구가 있습니다. 지금까지 알려진 수성 지질에 관한 정보는 매리너 10호와 지상에서 관측하여 확인 된 것입니다. 특히, 최근 메신저의 탐사로 정보량이 더 증가했다. 한 예로, 그릇 형태로 된 퍼진 충돌구가 발견되었는데, 과학자들에게 이것은 "거미(the spider)" 라고 불립니다.

 

수성 표면은 울퉁불퉁하기 때문에 지역마다 알베도가 다릅니다. 특히, 수성은 링클 리지외에도, 고원, 산, 평원, 절벽, 계곡 등 여러 지형이 존재합니다.

 

46억년 전부터 38억 년 전까지, 수성 표면에 혜성과 소행성이 충돌하는 기간이 있었는데, 이 기간을 후기 대폭격기라고 부릅니다. 이 기간 동안에는 수성은 전체적으로 폭격을 받아 충돌구가 급격히 늘어났다고 추측합니다. 그 이유는 지구와 달리 수성은 대기가 희박하기 때문에, 충돌체의 속도가 감소하지 않았기 때문입니다. 또, 이 시기에는 화산 활동도 활발했다고 추측하는데 특히 칼로리스 분지는 마그마로 가득 차 있었을 것으로 예상합니다. 

 

2008년 10월, 메신저에서 전송된 수성 표면에 관한 자료는 연구자들에게 큰 도움을 주었는데, 특히 이 자료로 수성 표면은 화성이나 달 표면보다 더 이질적라는 것이 밝혀졌습니다.

2016년 9월 26일, NASA에서는 수성이 지질학적으로 살아 있는 행성일 가능성을 제시했는데 그 이유는 메신저 탐사선이 보내왔던 자료를 분석한 결과, 만들어진 지 오래되지 않은 것으로 보이는 단층 절벽이 발견되었다는 것입니다. 그것은 행성의 지각이 아직도 수축하고 있음을 보여주는 증거이기도 합니다.

9) 관측 및 탐사

 

실시등급 -1.9등급으로서 시리우스의 1.4배 밝기에 해당하지만, 태양과 가장 가깝기 때문에 일출 혹은 일몰 때만 잠깐 볼 수 있습니다. 그로인해 실제로 수성을 관측하기는 매우 힘듭니다. 제대로 보기 위해서는 개기일식 때가 가장 좋지만, 개기일식 때도 보기 쉽게 볼 수 있는 것은 아닙니다. 이런 관측의 어려움으로 인해 한 번도 수성을 보지 못한 채로 세상을 떠난 천문학자들도 많다고 합니다 ^^;;. 

 
수성을 보는 가장 쉬운 방법은, 4개월에 한 번 찾아오는 수성의 동방 최대이각을 전후한 며칠 동안에, 서쪽 하늘이 트인 곳에서 해질 녁에 서쪽 하늘을 보는 것입니다. 완전히 깜깜해지기 전에 봐야 보기가 쉽습니다. 수성은 매우 밝아서 완전히 깜깜해지기 전이라도 충분히 보입니다.

이 작은 행성은 무인 우주탐사선을 보내기도 매우 어려운 행성입니다. 애당초 추력만으로 수성에 도달하는 것부터가 초고난이도이며, 지구에서 수성으로 가기 위한 스윙바이, 즉 행성의 공전 모멘텀을 이용한 우주비행 코스를 잡기도 매우 어렵기 때문입니다. 심지어 지구에서 훨씬 먼 행성인 목성으로 우주선을 보내는 것이 더 쉽다고 할 정도입니다.

 

그나마 가장 쉬운 방법이 금성을 스윙바이하여 수성으로 가는 것인데 이 기회가 자주 오질 않습니다. 마이클 미노비치의 계산을 통해 1970년과 1973년에 이 기회가 찾아옴을 알게 되어 수성 탐사선에 대한 미션이 수립되고, 1973년에 매리너 10호의 미션이 현실로 실행되었습니다. 2011년  메신저호가 수성에 돌아갈 때까지 무려 40년 간, 수성에 근접한 미션은 이 매리너 10 미션뿐이었으니 탐사선을 보내는 것도 얼마나 어려운 일인지 알 것 같습니다.

수성 착륙은 더더욱 어렵습니다. 수성의 환경이 금성처럼 최악이라서가 아니라, 수성까지 간 우주선을 감속하기가 너무 어렵기 때문입니다. 그로 인하여 매리너 10호는 일단 수성에 근접하며 지나친 후, 수성을 공전하는 위성궤도에 진입한 것이 아니라 태양을 공전하는 궤도에 진입해야 했습니다. 이 상태에서 우주선이 수성에 최대로 가까워질 때마다 수성을 관측하는 방법을 이용했습니다. 최초로 수성을 공전하는 궤도에 안착한 메신저 탐사선은 장장 7년에 걸쳐 행성 스윙바이를 6회나 한 끝에 수성 궤도에 진입했다. 베피콜롬보는 한술 더 떠서 스윙바이를 9번 할 계획입니다.

앞서 말했듯 메신저가 21세기에 가기 전까지 인류가 갖고 있는 수성의 근접 관측 데이터는 매리너 10호가 보내온 데이터들 뿐 이었습니다. 물론 이로부터 수성에 대해 많은 새로운 사실을 알게 되었으며, 그 중 하나로 수성에도 행성자기장이 있으며 빈약하지만 밴 앨런대가 존재함을 발견할 수 있었습니다.

 

10) 공전 및 자전

 

정확히 두 바퀴 공전하는 동안 세 바퀴 자전하는 기묘한 주기 (3:2 자전-공전 공명)를 가지고 있습니다. 대기가 거의 없고 자전 또한 느리기 때문에 기온은 -180℃에서 430℃까지 변화합니다.

11) 기타

 

①   순수한 추력으로 탐사하기는 명왕성보다도 더 어렵습니다. 이미 앞서 설명드렸듯이 태양과

      가까워서 공전 속도도 빠를 뿐 아니라 궤도 역시 가장 찌그러져서 경사각 7도, 이심률 0.2056이기

      때문입니다.

 

②   공전주기가 87일로 매우 짧기 때문에 태양계 움짤이나 그래프를 보면 조그만 행성이 혼자 마구

      움직이는 것을 볼 수 있습니다.

 

③   하지만 하루는 1408시간이나 됩니다. 자전주기가 공전주기의 약 60% 정도 되기 때문입니다.

 

④   천문관련 문제를 풀 때, 공전주기가 다른 것들보다 유난히 짧다면 거의 수성이라 봐도 됩니다.

 

⑤   태양계의 행성 간 거리를 계산해보면, 평균 거리로 따졌을 때 지구에서 가장 가까운 행성은

      금성도 화성도 아닌 수성입니다. 행성끼리 가장 근접했을 때의 거리로 따지면 금성이 가장

      가깝지만, 평균 거리로는 수성이 훨씬 가깝습니다.

 

⑥   위와 똑같은 이유로, 태양계의 어느 행성과도 평균 거리가 가장 가까운 행성은 수성입니다.

      목성이건 해왕성이건 간에, 평균 거리로 따지면 태양계 한가운데에 있는 행성인 수성이 가장

      가까운 행성입니다.