태양 및 태양을 인력(引力) 중심으로 하여 운행하고 있는 천체의 집단.

〔태양계의 계층〕 태양계는 태양을 중심으로 그 중력장(重力場) 안에서 운동하는 행성 · 위성 · 소행성 · 혜성 · 운석 및 고체 미립자 등 계층이 다른 입자 집단으로 이루어져 있다.

태양계 전체 질량의 99.87%는 태양이 차지하고, 나머지 0.13%의 대부분은 행성이 차지하며, 혜성은 전체의 약 1/30만으로 추정된다.

위성과 소행성의 질량은 모두 합쳐도 전체의 1/300만 이하에 불과하다.

태양계의 각운동량(角運動量)의 대부분은 목성이나 토성 등 거대행성이 담당하며, 태양의 자전 각운동량은 전체의 약 0.5%밖에 안된다.

태양계의 골격을 이루는 것은 수성 · 금성 · 지구· 화성 · 목성 · 토성 · 천왕성 · 해왕성 · 명왕성의 9개 행성이다.

태양에 가까운 6개 행성은 밝기 때문에 오래 전부터 알려졌지만, 천왕성은 1781년 F. W. 허셜, 해왕성은 1846년 J. 갈레, 명왕성은 1930년 C. W. 톰보가 발견했다.

행성은 조성(組成)이나 내부구조에 따라 2개의 그룹으로 나눌 수 있다.

태양에 가까운 수성 · 금성 · 지구 · 화성 · 명왕성의 5개는 모두 질량이 지구의 질량 이하이고, 평균밀도는 약 4g/cm보다 커서 지구형 행성이라고 한다.

이 중 명왕성은 가장 멀리 있어 잘 알 수 없으나, 다른 4개의 행성 표면은 굴곡이 심한 지각으로 되어 있고 수성을 제외하고는 모두 대기를 갖고 있다.

이들 행성에는 중심에 철을 주성분으로 하는 핵(核)이 있으며, 그 둘레를 석질(石質) 물질이 둘러싸고 있다.

목성 · 토성 · 천왕성 · 해왕성의 4개는 목성형 행성이라고 하는데, 질량은 지구의 15~318배 가량이지만, 평균 밀도는 약 2g/cm 이하이다.

금속 · 석질 물질로 이루어진 중심핵의 둘레를 대량의 수소와 헬륨이 둘러싸고 있기 때문이다.

지구보다 먼 행성에는 위성이 딸려 있다.

1990년 현재 인지된 위성은 태양계 전체에 60개에 이른다.

위성의 대부분은 모행성의 자전방향과 같은 방향으로 공전하며, 이것을 순행(順行)위성이라 하고, 일부의 위성은 모행성의 자전방향과는 거꾸로 공전하고 있어 역행위성이라고 한다.

목성의 갈릴레이 위성이나 해왕성의 트리톤, 달 등은 최대급의 위성이며, 수성의 크기와 비슷하다.

화성의 2개 위성이나 목성 · 토성에서 볼 수 있는 몇몇 위성은 매우 작아 지름이 수Km에 불과한데, 역행위성의 대부분은 작은 위성이다.

달이나 화성의 위성은 석질 · 금속질의 물질로 이루어져 있으나 목성의 위성 주성분은 물이나 암모니아 · 메탄 등의 얼음으로 추측된다.

목성형 위성은 모두 고리를 갖고 있는 듯하다.

토성의 고리는 1655년 C. 호이헨스가 발견했으며, 1977년에는 천왕성의 고리, 79년에는 행성 탐사체 파이어니어와 보이저에 의해 목성의 고리, 89년에는 보이저 2호에 의해 해왕성의 고리가 관측되었다.

모든 고리가 모행성의 적도면 안에 있으며, 그 주요 부분은 로슈의 한계(Roche's limit) 안에 있다.

고리는 두께 2~3km 이하로 매우 얇으며, 구성 물질은 수cm 이하의 무수한 얼음덩이로 추정된다.

태양의 주위를 공전하는 지름 1,000km 이하의 작은 천체의 무리를 소행성이라고 한다.

대부분이 화성궤도와 목성궤도의 사이에 있으며, 특히 2.1~3.3AU(천문단위)의 띠 모양 영역〔소행성대(帶)〕에 집중되어 있다.

그 수효는 궤도 요소가 확정되어 등록번호가 매겨진 것이 3,000개 이상, 총 개수는 10만개 정도로 추정된다.

크기는 가장 큰 케레스조차 지름 약 1,000km 정도이다.

소행성은 궤도운동의 특징에 의해 몇 개의 족(族)으로 나누어진다.

최근에는 표면반사능의 특성에 의해서도 3~4개의 그룹으로 나누어지며, 반사특성이 어떤 종류의 운석과 유사함이 밝혀지고 있다.

소행성대에서 현저히 벗어난 곳에도 소수의 소행성이 존재한다.

이들을 특이(特異) 소행성이라고 하며, 운석의 공급원의 하나로 여겨진다.

지구에 가깝게 접근하는 아폴로군(群) 소행성이나, 목성과 토성의 사이에 있는 작은 천체키론(chiron) 등이 특이 소행성으로 분류된다.

화려한 꼬리를 달고 가끔 태양 근처에 나타나는 혜성의 본체는 핵이라 불리며, 수km 지름의 석질이나 금속질이 섞인 얼음덩이로 생각된다.

목성궤도보다 안쪽으로 들어가면 태양빛에 가열되어 핵에서 휘발성 성분이 증발 · 전리(電離)되므로 밝게 빛나면서 증발 물질이 태양풍(太陽風)에 날려 거대한 꼬리를 형성한다.

혜성은 일반적으로 큰 이심률(離心率)과 궤도면 경사각을 가지며, 태양에 대해 구상(球狀)으로 분포한다.

운석은 월석(月石)과 함께 인류가 손에 넣을 수 있는 많지 않은 지구 밖의 물질이다.

운석도 그 화학조성이나 변성(變成)의 정도에 따라 몇 개의 그룹으로 분류된다.

탄소질 콘드라이트(chondrite)라는 운석은 물 등의 휘발성 성분이 풍부하며, 수소 · 헬륨, 비활성기체 등 특히 휘발성이 높은 일부 원소를 제외하고는 태양대기의 원소조성과 거의 일치하므로 태양대기와 함께 태양계 안의 원소조성 추정의 기초로 간주된다.

황도면 가까이에는 cm~ 크기의 작은 입자가 무수히 존재한다.

그것들이 태양 빛을 반사해 황도광(黃道光)으로 관측된다.

특히 입자밀도가 높은 영역으로 지구가 들어가면, 지구대기에 뛰어든 입자가 유성 혹은 유성우(流星雨)로 관측된다.

〔행성의 운동〕 모든 행성은 태양의 둘레를 타원궤도에 따라 돌고 있다(케플러의 제1법칙).

1회 공전에 소요되는 시간의 제곱은 궤도긴반지름(軌道長半徑)의 3제곱에 비례한다는 이른바 케플러의 제3법칙이 성립한다.

수성은 88일에 태양의 둘레를 1회 공전하지만 지구는 1년, 목성은 약 12년, 명왕성은 249년이나 소요된다.

궤도의 이심률과 궤도면 경사각은 수성과 명왕성을 제외하고는 모두 작다.

즉, 어느 행성이나 태양의 둘레를 원에 가까운 궤도에 따라 거의 동일평면 위를 태양의 자전과 같은 방향으로 공전한다.

행성이 태양인력에 의해서만 운동한다면, 궤도요소는 일정 불변하게 유지되겠지만, 미약하나마 서로 인력을 미치므로 이심률이나 궤도면 경사각은 변동한다.

다만, 변동폭이 작으므로 「행성끼리의 충돌이나 대규모 산란(행성이 다른 행성에 의해 튕겨지는 일)은 없다」는 이른바 태양계의 안정성이 보증된다(아놀드의 정리).

천왕성보다 안쪽에 있는 행성에서는 태양으로부터의 궤도 평균거리가 티티우스-보데의 법칙에 의해 비슷해지며, 행성은 거의 등비급수적(等比級數的)으로 늘어서 있는 꼴이 된다.

행성의 대부분은 공전방향과 같은 방향으로 자전한다.

즉, 자전방향은 공전면(面)에 대해 거의 수직이다.

다만, 금성은 자전주기가 길고, 방향이 반대(역행)이며, 천왕성은 자전축이 약 90˚ 기울어져 있으므로 쓰러진 꼴로 자전한다.

행성운동에서 케플러의 법칙이 성립하는 것은 「태양 인력이 태양으로부터의 거리의 제곱에 반비례한다」는 뉴튼의 만유인력의 법칙 때문이다.

〔태양계의 연령〕 가장 정확한 태양계의 연령은 운석의 동위원소비(同位元素比) 분석으로 얻어진다.

우라늄이나 칼륨 · 루비륨 등 일정한 비율로 붕괴하는 동위원소를 분석, 운석이 만들어진 시기를 계산해낼 수 있다.

대부분은 약 45억 5,000만 년 정도의 연령이므로 운석은 이 시기에 형성되었다고 추정한다.

지구나 달의 암석 대부분은 상당히 젊어 가장 오래된 것도 38~40억 년인데, 달의 「흙」의 연령은 운석과 같은 45억 5,000만 년 전후를 나타낸다.

따라서 태양계의 연령은 45억 5,000만년으로 추정된다.

〔태양계의 기원론〕 태양계의 기원에 관한 논의는 크게 2가지로 대별된다.

첫째는 태양과 다른 천체와의 충돌과 같은 우연적인 사건에서 성인을 구하는 미행성설(微行星說) · 조석설(潮汐設) · 쌍성설(雙星說)등이다.

둘째는 태양의 탄생과 진화과정에서 형성되었다고 보는 것으로, 칸트-라플라스의 성운설(星雲說)이나 전자기설(電磁氣說) · 와동설(渦動說) 등이 있으며, 현대적 형성론도 여기에 속한다.

1844년 푸셰가 「각운동량의 곤란」을 제시했는데, 「태양계가 갖는 각운동량의 98%는 질량이 0.13%에 불과한 행성이 담당하고 있다.

이 사실을 설명하는 일이 곧 행성의 형성을 설명하는 일이다」라는 논지이다.

성운설로는 이 문제의 해답을 낼 수 없어 1900년경부터 조우설(遭遇說)로 대체되었다.

T. C. 체임벌린이나 F. R. 몰턴의 미행성설은 우연히 태양 근처를 다른 행성이 지나다가 그 조석력(潮汐力)에 의해 태양 표면에서 튀어나온 물질이 미립자로 굳어져 모인 것이 행성이 되었다는 생각이고 J. H. 진스나H. 제프리스의 조석설은 그렇게 튀어나온 물질이 끈 모양이 되고, 거기서 행성이 형성되었다는 생각이다.

H. N. 러젤이나 R. A. 리틀턴의 쌍성설에서는, 태양은 본디 쌍성이었는데 다른 행성의 통과에 의해 동반성(同伴星)이 튀어나가고, 그때 조석설과 똑같은 현상이 일어났다고 본다.

이러한 주장들은 39년 L. J. 스피처에 의해 「높은 온도의 태양 표면에서 떨어져 나온 물질은 굳어질 수 없고, 구름이나 안개처럼 흩어져 소멸된다」는 결정적 반론이 제시되어 빛을 잃었다.

그 후 C. F. 바이츠제커의 와동설은 원시태양의 둘레를 도는 기체 속에 소용돌이가 생기고 그 부분에 고체 미립자가 모여 행성으로 성장한다는 생각이며, H. 알벤의 전자기설은 원시태양 둘레의 플라즈마와 태양자기장의 상호작용이 행성의 형성에 중요한 역할을 한다는 생각이다.

그러나 오늘날 이들 설은 모두 역사적 의미밖에는 없다.

70년대부터 V. S. 사프로노프나 하야시 주시로(林忠四郞) 등에 의해 별의 형성이나 운석 · 달 · 행성 등의 관측을 기초로 보다 엄밀하게 물리법칙을 적용하면서 태양계가 갖는 특징이 통일적으로 설명되고 있다.

〔행성계의 형성〕 태양 및 태양계 내 천체의 근원이 되는 것은 은하계에 떠돌고 있던 성간운(星間雲)이다.

「구름」이라고는 하지만 대단히 희박하고 전형적인 온도는 20K, 밀도는 10g/cm 정 도이 다.

그 주성분은 수소와 헬륨가스이고, 나중에 행성이나 위성이 될 고체성분은 고체 미립자(성간진)로 성간운 안에 떠 있다.

이 성간운이 스스로의 인력에 의해 수축을 시작한 지 약 100만 년 지날 무렵, 중심에는 원시태양이 만들어지고, 그 둘레에는 희박한 원반꼴의 태양계 성운이 형성된다.

안정된 상태로 자리 잡혔을 때 성운의 온도는 300~100K, 밀도는 10~10g/cm 정도이며, 온도 · 밀도 모두 태양에서 멀어질수록 낮아진다.

고체성분은 태양계 성운 안에 고체 미립자로 포함되어 있는데, 태양계 성운의 온도와 미립자의 조성과의 관계가 매우 중요하다.

소행성 영역보다 안쪽에서는 성운의 온도가 150K보다 높고, 바깥쪽에서는 낮다.

태양계 성운 정도의 압력하에서  150K보다 저온에서는 물이나 함모니아는 고체 상태 이며, 그보다 고온에서는 가스 상태이다.

즉, 목성 영역보다 멀리에서는 행성재료 물질이 금속 · 석질 물질 및 얼음으로 이루어지고, 성간 가스 가운데 1.7% (중량비)가 고체 미립자의 형태로 존재한다.

지구 등 태양에 가까운 영역에서는 금속 · 석질 물질만 행성 재료 물질이며, 성운 가스 중 0.34%(중량비)에 불과하다.

이 사실은 목성형 행성과 지구형 행성의 차를 낳고, 또한 소행성 형성과도 관계가 있다.

태양계 성운 안에 떠있는 고체 미립자는 성운가스와 함께 태양의 주위를 돌고 있는데, 차차 성운 적도면에 침강하기 시작, 1,000~1만 년에 거의 대부분의 고체 미립자는 성운 적도면 가까이의 극히 얇은 층에 집중 한다.

이 층을 고체층(固體層)이라 하며, 비중이 큰 미립자가 모여 있고 그만큼 밀도도 높은데, 고체 입자군이 만드는 인력이 태양의 인력을 웃돌게 되어 중력적으로 불안정해진 결과, 한 장의 레코드판과 같았던 고체층이 산산이 분열되고 만다.

분열된 파편의 크기는 지름 약 10km로 화성의 위성이나 혜성의 크기와 비슷한데, 이것을 미행성(微行星)이라고 한다.

태양계 전체에서 만들어지는 미행성은 10조개나 된다.

이들은 태양계 성운 가스 속에서 태양의 둘레를 돌며 서로 충돌을 되풀이한다.

미행성은 성운 가스로부터 항상 가스 저항력을 받기 때문에 충돌속도는 작도록 억제된다.

미행성의 충돌 속도가 빠르다면 파쇄되고 말겠지만, 낮은 속도로 충돌하면 서로 합쳐져 커다란 미행성으로 성장한다.

달 정도의 크기까지 성장한 천체를 원시행성이라고 한다.

원시행성은 다시 미행성을 모아 성장을 계속한다.

지구의 경우, 현재의 크기까지 되는 데 수백만년에서 1,000만 년 정도 걸리는 것으로 계산된다.

목성 영역에서는 목성의 중심핵(지구 질량의 10~15배)으로까지 성장하는데 1,000만~2,000만 년이 걸린다고 한다.

행성의 성장 시간은 일반적으로 태양으로부터의 거리가 멀수록 오랜 시간이 걸린다고 알려져 있다.

원시태양은 형성되고 나서 약 2,000만 년까지 T타울리 단계라 불리는 진화단계에 있었다.

이 무렵의 태양은 표면 활동이 대단히 심해 강한 자외선이나 태양풍을 내뿜는다.

T타울리형 별의 관측에 의하면, 자외선의 강도는 현재 태양의 1만~10만 배나 되었다고 한다.

이 강한 자외선이나 태양풍에 의해 태양계 성운은 차차 흩어져 행성간 공간이 오늘날과 같은 희박한 상태가 되었다는 것이다.

미행성이 원시행성으로 성장하는 것은 태양계 성운의 가스 속에서 진행되기 때문에 원시행성은 원운동을 하는 성운가스로부터 항상 저항을 받아 태양 적도면 안의 원궤도에서 그다지 벗어날 수 없다.

행성이 거의 동일면 안을 원에 가까운 궤도에 따라 운동하는 것은 이와 같은 가스 저항작용의 결과로 이해된다.

달보다 크게 성장한 원시행성의 인력도 강해진다.

이 인력에 의해 둘레의 성운 가스를 원시행성 중력권 안으로 끌어당겨 짙은 대기를 형성한다.

이 대기는 수소나 헬륨이 주성분이며, 현재의 대기와 구별해 원시대기라고 한다,

원시행성의 질량이 커질수록 끌려오는 대기의 양은 늘어 지구 크기로까지 성장한 원시행성에서는 대기 총질량이 10g이나 된다.

목성 영역에서는 성운 가스가 흩어져 없어지기 전에 이미 목성의 중심핵은 지구지량의 5~10배로 성장하고, 그 둘레에는 방대한 양의 원시대기가 끌려와, 대기질량은 원시행성의 질량에 필적할 정도이다.

이와 같은 상황이 되면 대기는 역학적 안정을 상실하고 만다.

그 때까지 원시행성의 중력권에 퍼져있던 원시대기는 원시행성 표면에서 중력 붕괴하고, 대기의 주성분인 수소나 헬륨이 행성에 흡수된다.

희박해진 행성중력권에서는 다시 성운 가스가 흘러들고, 이 가스도 역시 행성에 흡수된다.

이렇게 해서 목성은 대량의 가스를 흡수, 거대하고 평균밀도가 낮은 행성이 된 것이다.

태양에서 멀어질수록 원시행성의 성장은 오랜 시간이 걸리며, 충분히 성장하기 전에 성운 가스도 흩어져 없어지므로 먼 쪽의 목성형 행성일수록 가스 성분의 양이 적은 것이다.

지구형 행성의 경우, 성장이 완료할 때까지 성운 가스가 존재한다.

즉, 원시행성은 항상 원시대기를 감싼채 성장해 온 것이다.

현재의 지구대기와 마찬가지로 원시대기도 보온효과를 가진다.

원시대기에서는 대기량이 많기 때문에 그 효과는 대단히 강력하다.

원시행성이 현재의 지구질량의 1/6 이상이 되면, 보온효과 때문에 원시행성의 표면온도는 녹는점을 넘는다.

지구의 크기까지 되었을 때는 2,000K를 넘는 고온이 된다.

이와 같이 지구형 행성은 작열(灼熱)상태에서 성장했다.

원시지구의 표면온도가 행성물질의 녹는점을 넘으면, 집적되어 온 미행성은 단시간 안에 녹아 금속과 암석물질이 분리되어 무거운 금속은 가라앉고, 원시지구는 3중 구조가 된다.

즉, 중심에 저온의 금속 · 석질 물질이 섞인 원시 중심핵이 있고, 그 둘레에 금속층, 최상부에 용융한 석질층이 둘러싼다.

비중이 큰 금속층이 중간에 끼인 구조는 불안정하므로 이윽고 원시 중심핵과 중간 금속층이 역전해 오늘날 볼 수 있는 금속 중심핵 · 맨틀 구조가 되었다고 생각된다.