행성은 왜 태양 주변 궤도를 돌고 있는 걸까

지구는 태양 주변을 공전하는 행성입니다.

지구 이외에도 수성, 금성, 화성, 목성, 토성, 천왕성 등의 행성도 태양을 중심으로 돌고 있습니다.

정확하게 말하면 정해진 궤도 안에서 태양을 타원형태, 또는 원의 형태로 공전하고 있지요.

 

천체역학에서 궤도는 별 주위의 행성의 궤적, 행성 주위의 자연 위성 또는 행성, 달, 소행성, 라그랑주 지점과 같은 물체나 위치 주변의 인공위성과 같은 물체의 곡선 궤도입니다. 일반적으로 궤도는 정기적으로 반복되는 궤적을 의미하지만 반복되지 않는 궤적을 의미하기도 합니다. 근접하게 말하면, 케플러의 행성운동법칙에 의해 기술된 것처럼 행성과 위성은 타원의 중심점에서 공전하면서 타원궤도를 따릅니다.

대부분의 상황에서, 궤도 운동은 중력을 역제곱 법칙을 따르는 힘으로 설명하는 뉴턴 역학에 의해 적절하게 근사됩니다. 하지만, 측지학을 따르는 궤도와 함께 시공간 곡률로 중력을 설명하는 알버트 아인슈타인의 일반 상대성이론은 궤도 운동의 정확한 역학에 대한 더 정확한 계산과 이해를 제공합니다.

 

다음은 궤도를 이해하는 몇 가지 일반적인 방법입니다.

중력과 같은 힘은 물체가 직선으로 날아가려고 할 때 구부러진 경로로 끌어당깁니다. 
물체가 육중한 몸쪽으로 당길 때, 그 몸 쪽으로 떨어집니다. 하지만 충분한 접선 속도를 가지고 있다면 몸 안으로 떨어지지 않고 그 몸체에 의해 야기된 곡선 궤적을 계속 따라갈 것입니다. 그러고 나서 그 물체는 몸의 궤도를 돌고 있다고 합니다.
행성 주위를 도는 궤도의 예로서, 뉴턴의 대포알 모델이 유용할 수 있습니다. 이것은 높은 산꼭대기에 있는 대포들이 어떤 선택된 총구 속도로든 수평으로 대포알을 발사할 수 있는 '생각 실험'입니다. 공기 마찰이 대포알에 미치는 영향은 무시됩니다.

뉴턴의 포탄은 물체가 곡선에서 어떻게 "떨어질" 수 있는지에 대한 그림입니다.
원뿔 부분은 지구 주변의 작은 물체들의 가능한 궤도(노란색)를 설명합니다. 지구의 중력 퍼텐셜(파란색)에 이러한 궤도를 투영하면 우주의 각 지점에서 궤도 에너지를 결정할 수 있습니다.
만약 대포들이 낮은 초기 속도로 공을 발사한다면, 공의 궤적은 아래로 휘어져서 땅에 부딪힙니다. 발사 속도가 증가할수록 대포는 대포에서 더 멀리 떨어지게 되는데, 이는 공이 여전히 땅을 향해 떨어지는 동안 땅은 대포로부터 점점 더 휘어지기 때문입니다(위의 첫 번째 지점 참조). 이 모든 운동은 사실 기술적인 의미에서 "궤도"입니다 - 그것들은 무게 중심을 둘러싼 타원 경로의 일부를 묘사하고 있지만, 궤도는 지구와 충돌하여 중단됩니다.

만약 포탄이 충분한 속도로 발사된다면, 땅은 적어도 공이 떨어지는 만큼 공으로부터 멀리 휘어지게 됩니다. 그것은 이제 중단되지 않거나 순환하는 궤도라고 할 수 있는 것입니다. 행성의 무게 중심 위의 높이와 질량의 특정 조합에 대해 (C)와 같이 원형 궤도를 생성하는 (지구 질량에 비해 매우 작을 것으로 추정되는) 하나의 특정 발사 속도가 있습니다.

발사 속도가 이 이상으로 증가하면 (D)에 표시된 것처럼 중단되지 않은 타원 궤도가 생성됩니다. 초기 발사가 그림과 같이 지구 표면 위에 있는 경우, 더 느린 발화 속도로 중단되지 않은 타원 궤도가 형성됩니다. 이러한 궤도는 발화 지점의 절반 이상 지점에서 지구에 가장 가깝고, 발사 지점의 바로 반대편인 원형 궤도 아래에 있습니다.

행성의 질량과 중입자 중심으로부터의 물체의 거리에 따라 탈출 속도라고 불리는 특정한 수평 발사 속도에서, 포물선 경로를 가진 열린 궤도(E)가 달성됩니다. 훨씬 더 빠른 속도에서 물체는 쌍곡선 궤도의 범위를 따릅니다. 실용적인 의미에서, 이 두 가지 궤적 유형은 물체가 행성의 중력을 "파탄"하고 있고, 다시는 돌아오지 않는다는 것을 의미합니다.

쉽게 설명하면, 태양이 행성을 당기고 당겨지고 있는 행성도 동시에 태양을 당기고 있는 상태에서

서로 질량과 크기와 당기는 힘이 다르기 때문에 행성이 태양을 공전하고 있다고 생각하면 됩니다. 또한 공전하는 원의 모양이 정확한 원의 모양이 아닌 타원이 되는 이유는 아빠와 딸이 양손을 잡고 서로 돌고 있다고 생각해 보십시오. 둘이 같이 회전하고 있지만 무게가 무거운 아빠 쪽으로 힘이 더 쏠리게 되는 것이지요.