혹시 일식과 월식이 왜 생기는지 생각해 보신 적이 있나요?
 
그 이유는 태양과 달과 지구가 같은 공전평면을 돌고 있기 때문입니다.

만약 이 셋이 다른 공전평면 위를 돌고 있다면 일식과 월식은 생기지 않습니다.

그런데 왜 태양과 달과 지구은 거의 같은 공전평면에서 돌고 있을까요?

또한 참 신기하게도 태양 주위를 돌고 있는 대부분의 행성들(수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성 ..)도 거의 같은 공전평면을 돌고 있습니다. 단지, 2006년에 행성의 지위를 잃어버린 명왕성만이 이 공전평면과 약 17도 기울어진 평면을 돌고 있습니다. 뿐만 아니라, 이들 행성들이 태양 주위를 도는 방향도 모두 같습니다.

더 재미있는 것은, 대부분 행성들의 자전축은 공전평면과 정확히 90도 각도로 자전하면서 돌고 있습니다. 즉 대부분의 행성은 팽이가 회전하듯이 공전평면에 수직축으로 자전합니다. 물론 태양도 자전을 합니다.
 
예외로, 지구의 자전축은 23.5도 기울어져서 돌고 있습니다. 더욱 이상하게 천왕성은 98도 정도 기울어져 있어서 (거의 공전평면과 자전축이 같습니다.) 마치 자동차 바퀴가 땅위에서 굴러가듯이 공전궤도면을 굴러갑니다. 천왕성은 참 재미있게 돌고 있습니다.

그러면 왜 이런 현상이 생길까요?
 
이것은 각운동량 보존법칙과 상당한 관련성이 있습니다.

각운동량 L = mr2w이며, 여기서 m은 질량, r은 회전반경, w는 각속도(회전속도)입니다. 각운동량 보존법칙의 예로, 피겨 스케이팅 선수가 양팔을 완전히 벌렸다가 오므리면 더 빨리 회전하는 것을 봅니다. 더 빨리 회전하는 이유는 위 식에서 각운동량(L)이 보존되기(양팔을 벌리고 오므린 전후의 각운동량이 같기) 위해서는 회전반경(r)이 작아진 만큼 회전 속도(w)가 더 빨라져야만 합니다. 즉, 팔을 오므리기 전후의 스케이팅 선수의 질량이 같기 때문에 회전속도(w)가 변합니다. 그래서 질량이 동일한 상태에서 각운동량은 큰 원을 느리게 도는 것이나 작은 원을 빠르게 도는 것이나 물체의 회전 운동량은 같습니다.

태양계는 최초 먼지가 중력에 의해서 뭉쳐져서 만들어졌습니다. 이때 넓게 퍼져있던 먼지가 어떤 원인에 의해서 조그만 회전운동량이 생기게 되고 이것이 중력에 의해서 반경이 작아지면서 회전속도가 더 커진 것입니다. 이것은 원리적으로 위의 피겨 스케이팅 선수의 팔을 오므린 경우와 같습니다. 이 회전 운동에 의해서 여러 곳에 퍼져 있던 먼지들이 점점 하나의 공전평면에 모이게 되고 이들이 모여서 행성들을 구성합니다. 그러므로 공전방향은 모두 같으며 같은 공전평면에서 공전을 하게 됩니다.

그러면 ‘지구와 천왕성의 자전축이 왜 이렇게 기울어져 있을까요?’

이것은 태양계 외부에서 날아온 큰 운석과 이 행성들이 충돌하여 자전축이 변했을 것입니다. 왜냐하면 각보존법칙에 따라서 자체의 힘에 의해서는 이 자전축이 변할 수 없기 때문입니다. 지구의 경우 큰 행성이 초기 지구와 약간 비켜서 충돌한 후 현재의 지구와 달의 형태가 되었다는 것이 입증되었습니다.

또한 앞의 내용을 근거로 ‘행성들의 공전방향과 자전방향이 모두 같지 않을까?’라고 조심스럽게 추측을 해볼 수 있습니다.
 
그러나 예상과 달리 금성과 천왕성은 반대방향으로 돌고, 태양을 포함한 그 외의 행성들은 같은 방향으로 돌고 있습니다. 이것의 원인은 무엇일까요? 저는 잘 모르겠습니다. 특히 금성의 자전방향이 반대인 것은 특이합니다. 이것의 원인은 아직 밝혀지지 않았다고 합니다.

어쩌다가, 은하사진을 보면 은하의 중심을 향해서 빨려들어 가면서 회전하는 모습이 참 신기하고 아름답기도 합니다.

초등학교 때 본 하늘에 시냇물이 흐르듯이 일렬로 펼처진 은하수를 보면서 참 신기하하다고 생각했던 적이 있습니다. 그 당시 ‘왜 별들(은하수)이 띠 모양을 하고 있을까?’라고 궁금증을 가졌습니다. 하지만 이제 우리은하의 별들(태양계도 포함)이 같은 공전평면 위에서 공전하고 있기 때문임을 알고 있습니다.

그러면 우리 은하의 공전방향과 태양계의 공전방향은 같을까요? 개인적으로 이것은 거의 관계가 없을 것 같지만 잘 모르겠습니다.
 
(사진은 나사에서 공개한 나선은하인 M101의 사진이다.)