지구형 행성과 목성형 행성 비교

태양계 성운이 형성되고 성운의 중력 수축으로 인해 원시 태양과 원시 원반이 형성된 다음, 미행성체가 형성되는 과정을 거쳐서 원시 행성과 태양계가 형성되었다는 것은 아래의 지난 포스팅에서 정리하였습니다.

2023.12.21 - [과학] - 태양계의 형성 과정

태양계의 형성 과정

그리고, 이렇게 태양계가 형성이 되는 과정에서 태양으로부터 얼마나 가까이 있는지, 또는 멀리 있는지에 따라서 성운의 원반을 이루는 물질이 달라졌기 때문에 태양과 가까운 곳에서는 지구형 행성이 형성되었고 태양과 멀리 떨어진 곳에서는 목성형 행성이 형성되었는데요, 이 둘의 차이점은 어떤 것이 있는지 비교를 해보겠습니다.

 

지구(좌)와 목성(우), 이미지 출처: universetoday.com

 

 

지구형 행성

태양계에서 지구형 행성은 수성, 금성, 지구, 화성을 가리키며 태양으로부터 거리가 가깝기 때문에 온도가 상대적으로 높은 곳에서 행성이 형성되었습니다. 메테인(Methane)과 같이 휘발성이 있고 질량이 낮아 가벼운 물질들은 고온으로 인해 증발하게 되고 철이나 니켈과 같이 녹는점이 높고 질량이 큰 무거운 물질들이 남게 되어 응축되었는데요, 이러한 물질들로 지구형 행성이 형성되었다고 생각하면 되겠습니다. 그리고, 이렇게 형성된 원시 행성은 무거운 물질들을 계속 끌어당기게 되는데요, 그렇다 보니 지구형 행성은 주성분이 암석으로 이루어지게 됩니다. 태양으로부터 가까운 거리에 있는 무거운 성분은 태양계에 존재하는 양이 비교적 많지 않기 때문에 이렇게 무거운 원소로 이루어진 지구형 행성은 목성형 행성에 비해 크기가 작을 수밖에 없게 되는 것이고요. 또한 무거운 원소들로 이루어져 있으므로 평균 밀도가 높은 상태가 됩니다.

 

목성형 행성

목성형 행성은 목성, 토성, 천왕성, 해왕성을 일컫는데 태양으로부터 거리가 상대적으로 멀리 위치하기 때문에 지구형 행성에 비하여 비교적 온도가 낮은 곳에서 형성되었습니다. 온도가 높은 곳에 존재하는 지구형 행성에서는 가벼운 물질이 증발하게 되는 반면에 목성형 행성이 형성된 온도가 낮은 곳에서는 녹는점이 낮은 물이나 메테인, 암모니아와 같은 물질들이 저온에서 얼어 있는 고체 상태로 존재하게 되었고 이러한 얼음으로 둘러싸인 금속이나 암석의 티끌 같은 다양한 물질들이 주로 응축이 되면서 미행성체가 형성되었습니다. 그리고, 이렇게 형성된 원시 행성은 수소나 헬륨과 같은 가벼운 기체 물질들을 끌어당기게 되는데요, 그래서 목성형 행성은 주로 기체 성분으로 이루어지게 됩니다. 참고로 목성형 행성에는 모두 고리가 있다는 특징이 있는데 이 고리는 혜성이나 위성이 행성의 중력 영향권에 들어오게 되면서 충돌로 인해 부서지게 된 다음 부서진 잔해들로 구성된 것으로 추정을 하고 있습니다. 당연히 지구형 행성보다 비교적 가벼운 물질들로 이루어져 있으므로 평균 밀도가 낮습니다.

 

지구형 행성과 목성형 행성의 내부 구조

태양계를 형성할 때 무거운 물질들의 응축으로 지구형 행성이 형성되었고, 가벼운 물질들이 응축되어 목성형 행성이 이루어졌다고 하였는데요, 따라서 지구형 행성은 표면이 단단한 암석질이고 중심부의 핵을 규산염 물질의 맨틀이 둘러싸고 있는 구조가 됩니다. 아래를 보면 지구의 핵이 두 가지 층(solid inner core와 liquid outer corer)으로 이루어져 있고, 그 위를 규산염(silicate)으로 이루어진 맨틀(Mantle)이 둘러싸고 있는 것이 보이죠.

 

지구 내부 구조, 핵(core)을 규산염(silicate) 광물로 이루어진 맨틀(mantle)이 둘러싸고 있다. 이미지 출처: cs.lbl.gov

 

반면에 목성형 행성은 표면이 기체 상태로 되어 있으므로 내부는 중심부의 핵을 금속 수소층이 둘러싼 구조로 형성되었고, 금속 수소층은 다시 수소 분자층이 둘러싸고 있습니다. 아래 이미지를 보면 핵(Core)를 금속 수소층(metallic hydrogen)이 둘러싸고 있고, 그 위를 다시 수소 분자층(liquid hydrogen과 gaseous hydrogen)이 둘러싸고 있죠. 표면은 clouds로 표현되어 있는데 표면이 기체 상태로 되어 있는 것입니다.

 

목성의 내부 구조, 금속 수소층을 수소 분자층이 둘러싸고 있다. 이미지 출처: britannica.com

 

참고로 천왕성과 해왕성의 구조는 명확하게 알려져 있지 않으나 목성이나 토성과 크게 다르지 않을 것으로 추정하고 있습니다.

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이제 지구형 행성과 목성형 행성의 물리량을 비교보면 아래와 같이 정리할 수 있습니다. 아래를 보면 지구형 행성이 목성형 행성보다 큰 값을 가지는 것은 평균 밀도와 자전주기죠.

구분	지구형 행성	목성형 행성
반지름	작다	크다
질량	작다	크다
평균 밀도	크다	작다
자전 주기	길다	짧다
고리	없다	있다
편평도	작다	크다
위성 수	없거나 적다	많다
구성 원소	철, 산소, 규소	수소, 헬륨

 

참고로 편평도는 모양이 얼마나 납작하냐는 뜻하는 것으로 편평도가 작다는 것은 구에 더 가깝다는 뜻이 됩니다. 우리가 그냥 직관적으로 생각을 했을 때 자전속도가 빠르면 아무래도 옆으로 원심력을 받으니까 좀 편평해지겠죠. 자전 속도가 빠르고 평균 밀도가 작은 목성형 행성이 편평도가 크게 되는 것입니다.

 

아래의 태양계 행성의 질량 및 크기 순서에 대한 포스팅도 도움이 될 수 있어 링크를 남깁니다.

2023.11.22 - [과학] - 태양계 행성의 크기 및 질량 순서

태양계 행성의 크기 및 질량 순서