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태양계는 태양과 태양을 중심으로 공전하는 천체들의 집단이다. 태양은 우주가 탄생한 후 별과 은하가 형성되는 과정에서 만들어진 수많은 별들 중 하나이다. 태양계는 태양을 비롯하여 태양 주위를 돌고 있는 행성 8개, 위성, 왜소행성, 소행성, 혜성, 유성체 등으로 이루어져 있다. 이와 같은 태양계는 어떻게 만들어진 것일까? 예로부터 태양계의 형성에 대해서는 수많은 가설이 존재했다. 대표적인 가설로는 성운설, 와동설, 조석설, 미행성 응집설 등이 있다. 성운설은 성운이 수축되어 태양계가 형성되었다고 설명한다. 그러나 이 가설은 오늘날 태양의 느린 자전을 설명할 수 없다는 문제점이 있다. 한편 와동설과 조석설은 모두 태양에서 떨어져 나온 물질이 태양계를 형성한 것으로 설명한다. 그러나 두 가설 모두 태양에서 떨어져 나온 물질은 행성으로 성장하기 전에 증발하므로 행성이 만들어지기 어렵다는 문제점을 안고 있다. 현재까지 밝혀진 태양계의 여러 특징을 비교적 잘 설명해 주는 가설은 미행성 응집설이다. 미행성 응집설이 성운설과 다른 점은 성운설은 성운을 이루는 물질 전체가 원반처럼 회전하지 않고 각각의 중심을 향해 모여들어 태양과 행성을 형성한 것으로 설명하고 있지만, 미행성 응집설은 성운을 이루는 물질이 원반을 형성하면서 회전하여 뭉쳐져 태양과 행성을 형성한 것으로 설명한다. 먼저 우리 은하의 나선팔에 존재하던 한 거대한 성운의 일부가 주변에 있던 초신성의 폭발로 작은 성운을 만들었다. 이후 이 성운은 수축하면서 회전하기 시작하여 점차 원반에 가까운 형태로 변하였다. 이때 원반의 중심부에는 물질이 수축되어 덩어리를 이루면서 성운 질량의 대부분을 차지하는 원시 태양이 형성되었다. 원시 태양 주변의 가까운 곳에서는 물질이 모여들어 수축하면서 다른 곳보다 밀도와 온도가 높아졌다. 여기서 생겨난 미행성들은 온도가 높기 때문에 물 분자와 같은 휘발성 물질들은 뭉쳐질 수 없었으며, 철, 니켈 등의 금속이나 규산염 암석 등과 같이 녹는점이 높은 물질로만 이루어지게 되었다. 이렇게 만들어진 미행성들이 서로 뭉쳐져 암석 성분으로 이루어진 행성이 되었다. 한편, 원반 주변부는 상대적으로 온도가 낮아 얼음이 포함된 행성들이 형성되기 시작하였다. 얼음 알갱이들은 규산염 암석이나 금속보다 훨씬 더 흔한 존재였기 때문에 이들 행성은 크게 성장할 수 있었다. 이러한 행성은 성장하여 질량이 커지면서 우주에서 가장 흔한 원소인 수소와 헬륨을 주변으로부터 효과적으로 끌어당겨 거대한 기체 성분의 행성이 되었다. 행성을 형성하지 못하고 남은 성운의 물질은 왜소행성, 위성, 소행성, 혜성, 유성체 등을 형성하였다. 이와 같은 과정을 거쳐 태양계에는 오늘날과 같이 다양한 천체들이 존재하게 되었다. 태양계를 구성하는 행성들의 운동을 관측해 보면 행성들은 모두 태양의 자전 방향과 같은 방향으로 공전한다. 또한 행성들은 거의 같은 평면 상에서 공전하므로 태양의 적도면과 행성들의 공전 궤도면이 이루는 경사각은 서로 비슷하다. 이처럼 행성의 공전 방향이 태양의 자전 방향과 일치하고, 공전 궤도면이 이루는 경사각이 서로 비슷한 것은 초기 태양계의 형성 과정과 관계있다. 초기 태양계를 형성한 성운의 물질은 수축하면서 원반 모양이 되어 점점 더 빠른 속도로 돌게 되었다. 이때 수축하는 성운의 중심에서 태양이 형성되었으므로 태양의 자전 방향은 성운의 회전 방향과 일치한다. 또 행성들도 회전하는 원반에서 형성되었으므로 행성의 공전 방향도 성운의 회전 방향과 일치한다. 따라서 현재 태양계의 모든 행성들은 태양의 자전 방향과 같은 방향으로 공전하는 것이다. 회전하는 성운의 적도면에 있는 물질은 처음에는 중심을 향해 모이지만, 성운의 회전 속도가 빨라지면 물질은 점점 주위를 돌게 된다. 이것은 성운이 회전하면서 나타나는 원심력과 물질을 중심으로 끌어 당기는 만유인력이 평형을 이루기 때문이다. 그러나 적도면의 위쪽이나 아래 쪽에 있는 물질들은 원심력의 영향을 적게 받거나 거의 받지 않으므로, 만유인력에 의해 물질은 적도면에 모이게 된다. 따라서 성운은 회전하면서 점점 원반 모양이 되며, 이 원반의 물질로 행성이 형성되었기 때문에 태양의 적도면과 행성의 공전 궤도면이 이루는 경사각은 서로 비슷한 것이다. 이와 같은 특징을 가지는 태양계 행성들은 지구형 행성과 목성형 행성으로 구분할 수 있다. 지구형 행성은 태양계의 안쪽 궤도를 돌고 있는 행성으로, 수성·금성·지구·화성이 포함된다. 이들 행성은 비교적 온도가 높은 지역에서 형성되어 주로 암석과 같은 물질로 이루어져 있다. 한편 목성형 행성은 태양계의 바깥쪽 궤도를 돌고 있는 행성으로, 목성·토성·천왕성·해왕성이 포함된다. 이들 행성은 비교적 온도가 낮은 지역에서 형성되어 주로 가벼운 기체 성분의 물질로 이루어져 있다. 태양계의 행성 중 수성을 제외한 모든 행성의 대기층 두께는 행성의 전체 크기에 비해 매우 얇다. 그러나 지구에 대기층이 없었다면 생물이 존재하지 못했을 만큼 대기는 행성의 특징을 결정하는 매우 중요한 요소이다. 태양계 행성들의 대기 성분을 비교해 보면 지구형 행성은 주로 산소·질소·이산화탄소 등으로 구성되어 있으며, 목성형 행성은 수소·헬륨 등으로 구성되어 있다. 이와 같이 행성에 따라 대기의 구성 성분이 다른 까닭은 무엇일까? 슈퍼맨이라는 영화에서 주인공은 하늘을 자유롭게 날아다니며, 어떤 경우에는 지구를 벗어나 우주를 날기도 한다. 슈퍼맨이 이처럼 지구를 벗어나 우주로 날아가려면 지구의 중력에서 벗어나야 한다. 그렇다면 슈퍼맨은 지구의 중력으로부터 어떻게 벗어날 수 있을까? 슈퍼맨이 하늘로 날아 올라갈 때 처음에만 힘을 낸다면 위로 올라갈수록 속도는 감소하다 마침내 멈추게 될 것이다. 따라서 올라가면서 속도가 감소되는 정도와 올라가는 거리를 계산하여 슈퍼맨이 맨 처음 아주 빠르게 위로 올라간다면 지구의 중력을 벗어나 우주 공간으로 날아갈 수 있다. 이처럼 어떤 물체가 지구의 중력을 벗어나 우주 공간으로 날아갈 수 있는 속도를 탈출 속도라고 한다. 어떤 물체가 행성의 중력을 벗어나는 데 필요한 탈출 속도는 역학적 에너지 보존 법칙을 이용하면 구할 수 있다. 어떤 물체가 정지 상태에서 자유 낙하할 때 처음에는 정지 상태이므로 위치 에너지만 존재하고 운동 에너지는 없다. 하지만 물체가 자유 낙하를 시작하면 위치 에너지는 감소하게 되고, 위치 에너지가 감소한 양만큼 운동 에너지는 증가하게 된다. 마찰력이나 공기의 저항을 무시하면 물체가 지표면에 닿는 순간에는 위치 에너지가 모두 운동 에너지로 바뀐다. 즉, 물체가 중력만을 받아 운동할 때에는 위치 에너지와 운동 에너지는 서로 전환되며, 그 합은 항상 일정하게 보존된다. 이것을 역학적 에너지 보존 법칙이라고 한다. 역학적 에너지 보존 법칙은 물체가 행성의 중력을 벗어날 때도 적용된다. 물체가 행성의 중력을 벗어날 때 처음 지표면에서는 위치가 0이므로 위치 에너지는 없고 운동 에너지만 존재한다. 그러나 물체가 위로 올라가 행성의 중력을 벗어나는 곳에서는 속도가 0이므로 운동 에너지는 없고 위치 에너지만 존재한다. 역학적 에너지 보존에 따르면 물체가 지표면에서 출발할 때 갖는 운동 에너지와 지구의 중력을 벗어나는 곳에서의 위치 에너지는 서로 같다. 즉, =가 된다. 따라서 물체가 행성의 중력을 벗어날 때 갖는 위치 에너지보다 더 큰 운동 에너지를 갖도록 행성 표면에서 물체를 빠른 속도로 발사하면, 물체는 행성의 중력을 벗어나 우주 공간으로 날아가게 된다. 행성의 중력을 벗어날 때의 에너지를 비교하면 ≥이다. 지구에서 이를 만족하는 탈출 속도는 약 11.2 km/s이다. 따라서 지구에서 약 11.2 km/s의 속도로 로켓을 발사하면 로켓은 우주 공간으로 날아갈 수 있다. 행성의 탈출 속도는 행성의 중력을 벗어나기 위한 최소 조건이므로, 행성의 중력이 작을수록 물체는 느린 속도로도 쉽게 탈출할 수 있다. 행성의 중력은 행성의 크기와 질량에 관계가 있으므로 일반적으로 질량이 작은 지구형 행성에서는 탈출 속도가 작고, 질량이 큰 목성형 행성에서는 탈출 속도가 크다. 즉, 목성형 행성에서보다 지구형 행성에서 물체는 더 쉽게 탈출할 수 있다.