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태양계를 구성하고 있는
다양한 행성과 위성들의 신비

과학이슈 하이라이트는 최신 과학이슈를 엄선하여 기초적인 지식에서 최근 연구 동향에 이르기까지 상세한 설명과 풍부한 시각 자료로 ‘더 깊게, 더 넓게, 더 쉽게’ 전달하는 화보 느낌의 교양 도서이다. 이번 주제는 우리가 살고 있는 별 지구가 속해 있는 천체 ‘태양계’이다. 태양계는 항성 태양과 그 중력 아래에 있는 다양한 행성, 위성, 왜소행성, 소행성 등으로 이루어져 있다. 그중에서 유명한 것이 고체 행성 수성, 금성, 지구, 화성과 유체 행성 목성, 토성, 천왕성, 해왕성일 것이다.

생물이 살아갈 수 있는 에너지를 주는 태양, 이름과 달리 지옥처럼 뜨거운 수성, 공전과 자전이 거꾸로인 금성, 인류가 살아가고 있는 지구, 사막으로 덮인 화성, 태양계에서 가장 큰 행성 목성, 아름다운 고리를 두르고 있는 토성, 기묘하게 누운 천왕성, 강풍이 몰아치는 해왕성 등 각각의 별은 저마다의 특징을 지니고 있다. 태양계가 어떤 과정을 거쳐 지금의 모습이 됐는지 알아보기 위해 미국항공우주국(NASA)이나 유럽우주국(ESA)은 수십 년에 걸쳐 여러 탐사선을 보내 정보를 수집했다. 그 결과 행성과 위성, 소행성 같은 태양계 천체들의 비밀이 하나둘 벗겨지고 있다. 이 책에서는 과학의 힘으로 알아낸 태양계 식구들의 신비로운 모습을 보여 준다.

스티븐 호킹 박사의 경고에 대해
우리는 어떻게 대처해야 할까?

여기에 더해 태양계의 미래와 수명에 대해서도 상세히 설명해 주고 있다. 물론 50억 년 후라는 상상조차 힘든 까마득한 미래의 일이겠지만 언젠가는 태양이 적색거성이 되어 태양계의 다른 행성들을 대부분 흡수해 버리는 날도 올 것이다. 이렇듯 태양이 나이를 먹어 가면 지구에는 어떤 변화가 발생할 것인지 태양계 최후의 날을 상상해 다루었다.

그리고 이러한 미래에 대비해 우리는 어떤 준비를 해야 하는지 목표와 과정에 대해서도 언급한다. 2018년에 작고한 천재 물리학자 스티븐 호킹 박사는 일찍이 “인류가 오랜 기간 생존하기 위해서는 행성 하나에만 머물러서는 안 된다. 소행성 충돌이나 핵전쟁 같은 재앙으로 인해 인류가 멸망할 수 있다.”며 이에 대비해 “인류가 우주로 퍼져 나가 지구 이외의 개척지를 확립해야 한다.”라고 경고한 바 있다. 제2의 지구를 찾기 위해 어떤 과학적 연구가 더해지고 있는지도 알아보자.

융합형 과학 교과서 보조 자료의 최고봉이자
우주의 서사시를 그려낸 화보집

‘개정 과학과 교육과정’의 고등학교 과학은 과학적 소양을 바탕으로 하는 수준 높은 창의성과 인성을 골고루 갖춘 인재 육성을 목표로 한다. 특히 우주와 생명 그리고 현대 문명과 사회를 이해하는 데 필요한 과학 개념을 통합적으로 이해하며 자연을 과학적으로 탐구하는 능력을 기르고, 과학 지식과 기술이 형성되고 발전하는 과정을 이해하는 것이다. 또 자연 현상과 과학 학습에 대한 흥미와 호기심을 기르고 일상생활의 문제를 과학적으로 해결하려는 태도를 함양하며, 과학·기술·사회의 상호 작용을 이해하고, 과학 지식과 탐구 방법을 활용한 합리적 의사 결정을 기른다는 것을 목표로 하고 있다. 이런 목표를 바탕으로 만들어진 것이 7종의 융합형 과학 교과서다.

모든 융합형 과학 교과서는 개정 과학 교육과정이 요구하는 내용과 학생들의 평균적인 성취 수준을 고려하여 집필, 제작되었다. 다른 교과목의 교과서도 마찬가지지만 이것은 학생들의 성취 수준에 따라 내용의 이해 정도에 차이가 생길 수 있다는 것을 의미한다. 특히, 기존에 접하지 않던 생소하고 일부는 어려운 내용들이 포함되어 있는 융합형 과학 교과서의 경우 그 정도는 훨씬 크다. 아무리 자세한 설명과 풍부한 그래픽, 구체적인 자료를 함께 담았다 하더라도 한정된 지면이 주는 제약을 극복할 수 있는 방법은 없다. 결국 표현은 집약적일 수밖에 없고 제한된 제작비용의 영향으로 그래픽이나 자료의 양과 질에도 한계가 있을 수밖에 없다.

이로 인한 어려움은 교사와 학생 모두가 똑같이 느끼고 있다. 새로운 내용, 부족하고 정리되지 않은 자료는 교사에게 새로운 교과 내용에 대한 준비에 어려움을 느끼게 한다. 교사들은 교과서의 내용과 밀접한 관계가 있으며 교사의 궁금함과 학생들의 질문에 답할 수 있는 내용으로 채워진 충실한 보조 자료를 찾고 있지만, 적합한 것을 찾기란 쉽지 않은 일이다. 학생들도 마찬가지다. (물론 융합형 과학 교과서를 학습하는 방법의 변화가 필요하지만) 내용의 이해는 물론 여러 평가를 준비하기 위해 교과서와 수업의 부족한 부분을 보완할 수 있는 보조 자료가 필요하기 때문이다. 하지만 현실은 그렇지 못하다. 교과서 출판사 및 교육청 등에서 여러 가지 학습 보조 자료를 내놓고 있지만 융합형 과학 교과서가 담고 있는 내용을 감안한다면 교사와 학생의 필요를 만족시키기가 어려운 것이 현실이다. 그렇기 때문에 〈과학동아〉와 같이 충분한 데이터베이스를 바탕으로 교과서를 뒷받침할 수 있는 자료를 검색, 분석하여 교수 학습 보조 자료를 내는 것이 융합형 과학 교과서에는 꼭 필요한 부분 중 하나라고 할 수 있다.

35년간 발행된 〈과학동아〉의 노하우를 집약해 담은 과학이슈 하이라이트 Vol.6 《태양계와 지구》. 이공계 출신의 과학전문기자와 현직 과학자로 구성된 집필진이 이 주제를 다각도로 설명하기 위해 물리, 화학, 생물, 지구과학이라는 기존의 과학 교과 간 장벽을 과감히 없애고 통합적으로 구성했다. 중고등학생들의 눈높이에 맞춘 다양한 과학 현장의 사진과 그래픽으로 복원한 우주의 모습을 깨끗한 화질의 화보로 담아내었다. 최근의 연구결과를 반영하여 태양계와 지구의 신비로운 모습을 생생하게 전달하고 있다.

펴내는 글 004

[ I ] 태양계의 형성 008
행성은 어떻게 만들어졌나 010

[ II ] 태양계 식구들 016
1. 태양계 탐사선 018
2. 태양
(1) 태양은 우리에게 무엇인가? 022
(2) 수명 100억 년의 거대한 핵융합로 028
3. 수성
수성의 이력서 034
4. 금성
(1) 지옥에서 발견한 오렌지색 하늘 040
(2) 두꺼운 베일 벗은 여신의 누드 044
5. 지구
우리의 고향, 지구 048
6. 화성
(1) 화성 생명체를 찾아나선 바이킹 054
(2) 화성 북극에서 얼음 찾았나? 058
(3) 520일간 떠나는 모의 화성 여행 064
7. 목성
(1) 살아 꿈틀거리는 미니 태양계 072
(2) 목성 탐사선 갈릴레오가 남긴 것 076
8. 토성
(1) 얼음 목걸이 두른 태양계의 꽃미남 084
(2) 태양계 타임캡슐 토성에서 무엇을 발견했나 088
9. 천왕성
(1) 누워서 태양계 누비는 푸른 공 092
(2) 천왕성 발견자 윌리엄 허셜 096
10. 해왕성
태양계 최대 강풍 부는 극한지대 102

[ III ] 위성과 소행성 106
1. 달
(1) 달 탄생 유력한 시나리오 대충돌설 108
(2) 월석에 간직된 잔류자기 미스터리 114
2. 목성의 위성
목성 4대 위성과 형제들 120
3. 토성의 위성 타이탄
메탄비 내리는 오렌지빛 원시지구 128
4. 소행성
(1) 최초의 소행성 세레스 발견의 비화 134
(2) 작전명 돈키호테! 소행성을 막아라 138
5. 퇴출된 명왕성
명왕성 퇴출! 행성이 뭐기에? 144
6. 혜성
(1) 태양계의 냉동창고, 카이퍼 벨트 150
(2) 소행성이 혜성으로 변신한다고요? 156

[ IV ] 태양계 최후의 날 160
50억 년 뒤 100배 커진 태양에 먹힌다? 162

[ V ] 제2의 태양계는 있을까 168
태양계 내 또다른 종족의 자취 170
우주 끝까지 외계행성 찾는다 176

해설 184
필진 및 사진 출처 190


5ㅂ기
5· 102

태양과 행성이 어떻게 형성됐는지를 설명하고, 이를 통해 현재 천체의 운동을 이해하려는 시도는 꾸준히 있었다. 이에 대해 최초로 과학적 설명을 한 사람은 철학자 엠마뉴엘 칸트다. 뉴턴의 역학에 심취했던 칸트는 ‘일반 자연사와 천체이론’이란 제목의 학위논문을 쓸 정도로 천문학에 관심이 많았다. 그는 1755년에 뉴턴의 만유인력법칙을 적용해 태양계가 어떻게 형성됐는가를 보이는 성운설을 제안했다.
p9 태양계의 형성

고대 그리스의 아리스타르코스는 기원전 270년경 처음으로 태양까지의 거리를 계산했다. 그는 태양까지의 거리가 적어도 수백만km 이상이어야 하고 태양의 지름은 지구 지름의 7배쯤이라고 결론 내렸다. 아리스타르코스의 계산은 비록 오늘날 얻은 값과 비교하면 터무니없었지만, 그는 이 과정에서 당시 사람들의 일반적인 생각과는 달리 지구가 태양의 둘레를 돈다는 사실을 깨달았다. 하지만 그의 계산과 주장에 귀를 기울이는 사람은 없었고, 그의 주장은 곧 잊혀졌다.
왜냐하면 지구의 운동은 느낄 수 없었고, 사람들은 태양이 완전한 천상계에 속한다고 굳게 믿었기 때문이다. 태양은 숭배의 대상일 뿐 탐구의 대상일 수 없었다. 달 아래의 지상계는 변화하는 불완전한 세계였지만 천상계는 변화가 없는 완전한 세계였다. 그 천상에서 태양은 완전성을 보여 주는 신의 모습이었다.

p24 완전한 세계, 태양

1959년 레이더 관측 장비가 동원되자 혼란스러운 정보가 나왔다. 구름을 뚫고 나온 전파의 잡음은 금성 표면이 매우 뜨겁다는 사실을 뜻했기 때문이다. 하지만 대부분의 과학자들은 표면이 아니라 대기가 뜨겁다는 식으로 관측 결과를 받아들이지 않았다. 당시 미국 시카고대의 젊은 과학자인 칼 세이건은 이산화탄소에 의한 온실효과를 이론으로 제시하며 뜨거운 금성의 모습을 주장했으나, 이런 주장은 SF소설 정도로 여겨졌다. 금성에 대한 최초의 우주탐사는 1961년 옛 소련이 시작했지만, 탐사선의 성능이 변변치 못했던 탓에 1965년까지 14회의 시도가 무위로 돌아갔다. 이 틈에 어부지리로 미국이 금성 탐사에 최초로 성공했다. 1962년 마리너2호가 발사 4개월 뒤, 무사히 금성에 근접해 간접적으로 금성의 온도를 측정했던 것이다. 결과는 놀랍게도 400℃ 이상. 하지만 옛 소련 과학자들은 이 결과를 받아들일 수 없었다. 옛 소련은 자체 관측으로 금성의 온도가 60~80℃ 정도이며 기압은 지구의 5배를 넘지 않을 것으로 예상했다. 심지어 석유의 바다로 덮여 있을 것에 대비해 가라앉지 않는 착륙선을 설계하기 시작했다. 이렇게 제작된 베네라4호는 1967년 금성 표면에 착륙을 시도하며 신호를 보내왔다. 측정한 최고 온도는 270℃였다.
p40 뜨거운 지옥 행성

다음날 드디어 로봇 팔로 화성 토양의 첫 삽을 떴다. 지구의 과학자들은 이를 기념하기 위해 흙을 퍼 올린 땅에 남은 7~8cm 깊이의 흔적에 ‘도도’라는 이름을 붙여 줬다. 그런데 도도를 다시 보니 그곳에서도 하얀색 물질이 보였다. 그래서 옆 부분을 한 번 더 퍼 올렸다. ‘골디락’이라는 이름이 붙여진 그곳에서도 하얀색 물질이 보였다. 물질이 얼음인지 궁금해 퍼 올린 흙을 분석기에 담기 전에 자세히 살펴봤다. 지구의 흙과 겉모습은 크게 다르지 않았지만 하얀색 물질이 섞여 있었다. 좀 더 자세히 들여다볼까. 흙의 일부에 광학현미경을 들이댔다. 머리카락 지름의 10분의 1밖에 되지 않는 미립자부터 다양한 입자들이 선명하게 나타났다. 적어도 4가지 광물을 구별할 수 있었지만 하얀색 물질이 얼음 알갱이인지 소금인지 구별하기는 쉽지 않았다. 흙을 정밀하게 분석할 필요가 있다고 생각하고 6월 6일 흙을 4번 분석기에 담았다. 아뿔싸. 그런데 예기치 못한 일이 발생했다. 흙은 분석기 통 안에 들어가기 전에 지름 1mm까지 걸러내는 체를 통과하게 돼 있는데, 흙의 점성이 생각했던 것보다 커서 체를 통과하지 못했던 것이다.

p62 하얀색 물질, 얼음인가 소금인가

물론 본격적인 탐사는 목성에 도착한 뒤 시작됐다. 갈릴레오는 도착 후 23개월 동안 목성 주변을 11회 돌면서 ‘주요 미션’을 수행했다. 목성의 4대 위성 중 하나인 가니메데에 4회, 칼리스토와 유로파에 각각 3회씩 가까이 접근했다. 이때 NASA의 보이저1호와 2호가 1979년 목성을 지나가는 동안 접근했던 것보다 100~1000배는 더 가까이 다가갔다. 각 접근시기마다 갈릴레오가 각 위성의 표면과 특징을 얼마나 자세히 관측하고 촬영했는지 1주일의 탐사가 끝나면 탐사선의 기록장비가 꽉 찼다. 이 자료를 지구에 보내기 위해서는 다음 1~2달이 걸릴 정도였다.
p80 갈릴레오, 목성 대기에 자폭한 이유

천왕성의 고리는 재미있게도 보이저가 지구를 떠나기 직전인 1977년에 우연히 발견됐다. 천왕성 뒤쪽을 지나는 별빛을 이용해 천왕성의 대기를 관측하던 중 별빛이 천왕성에 가까워질 때 갑자기 어두워지는 현상이 발견됐다. 곧 이것이 매우 어두워 지금까지 드러나지 않던 고리 때문이라는 사실을 알게 됐다. 이런 방법으로 지상에서는 9개의 고리를 발견했다. 여기까지가 지상관측을 통해 밝혀낸 천왕성의 모습이다. 지구와 탐사선의 방대한 거리, 우주잡음보다 미약한 탐사선의 전파, 탐사선의 잦은 고장, 매우 희미한 태양빛, 서서히 줄어드는 전력 등 탐사선을 가로막는 많은 어려움에도 불구하고 보이저2호는 1986년 1월 24일 천왕성에 약 8만km까지 접근해 4300여 장의 사진을 보내왔다.
p96 나침반 믿을 수 없는 이상한 나라

1781년 3월 독일계 영국 천문학자인 윌리엄 허셜이 천왕성을 발견하자 이 숫자배열은 다시금 주목을 받았다. 토성 밖에서 태양을 돌고 있던 새로운 행성 천왕성이 바로 이 수열이 예측하는 바로 그 위치에 있었기 때문이다. 티티우스-보데 법칙은 보데의 육감 차원을 넘어 정말 타당성이 있는 사실처럼 보이기 시작했다. 하지만 다른 한편으로는 반발도 만만치 않았다. 미스터리한 배열에 아무런 이유 없이 행성들의 거리가 맞아 들어간다는 점이 더욱 미스터리했던 탓이다.
천왕성의 발견으로 태양계의 행성의 숫자는 7개로 늘었다. 이에 대해 유명한 독일의 철학자 게오르크 빌헬름 헤겔은 다른 사물, 예를 들어 인간의 머리에 존재하는 구멍의 수가 7개뿐이기 때문에 행성의 숫자도 7개뿐이라고 주장했다. 헤겔은 약간 황당해 보이는 이런 생각을 바탕으로 화성과 목성 사이에 행성이 존재하지 않는다는 내용의 논문을 발표하기도 했다.
p136 발견 후 6주 만에 잃어버린 새 천체

한국천문연구원 우주과학연구부 최영준 박사는 “더 작고 어두운 천체를 찾으려고 노력하다 보니 그 노력의 부산물로 태양계 외곽에 있는 소천체인 카이퍼 벨트 천체(KBO)도 많이 발견했다”고 밝혔다. 작은 소행성이나 멀리 있는 KBO나 똑같이 어둡게 보인다. 사실 2006년 행성 자격을 박탈당한 명왕성도 KBO 중 하나다. 카이퍼 벨트는 소행성대와 모양이 비슷하지만 해왕성 궤도 바깥으로 폭넓게 위치한다는 점에서 다르다. 암석과 금속으로 구성된 소행성과 달리 KBO는 혜성처럼 얼음과 먼지로 이뤄져 있다. 카이퍼 벨트에서 불안정한 궤도를 돌던 천체 중 일부가 200년 이하의 주기로 태양에 가까이 다가왔다 멀어지는 혜성(단주기 혜성)이 된다.
p156 단단한 소행성, 무른 혜성

우주생물탐사에서 가장 주목하고 있는 대상은 태양계의 방랑자 ‘혜성’이다. 지구생명의 기원을 밝혀줄지도 모르기 때문이다. 1976년에 영국 카디프대 수학 및 천문학 교수인 찬드라 위크라마 싱헤와 프레드 호일이 처음 주장한 ‘외계생명체론’에 의하면, 태양계의 형성 초기에 지구 주위를 떠돌던 혜성이 지구를 방문했고, 이 방문에 지구 생명의 기원이 되는 ‘원시생명체’ 조상이 동행했다고 한다. 태양계의 탄생 초기에 지구로 날아온 ‘더러운 눈뭉치’에 뭍은 우주먼지 입자에는 탄소와 물이 함유돼 있었고, 이를 바탕으로 인체를 구성하는 필수단백질인 아미노산 같은 분자들이 만들어졌다는 주장이다.
p174 우주에서 찾는 생명의 기원