지구형 행성과 목성형 행성 — 목성에는 왜 땅이 없을까

화성에는 탐사 로봇이 내려앉아 바퀴로 돌아다닙니다. 그런데 목성에 탐사선을 보내면 내려앉을 곳이 없습니다. 구름을 뚫고 내려가도 땅은 나오지 않고, 기체가 점점 짙어지다 짓눌린 액체로 바뀔 뿐입니다. 같은 태양을 도는 행성인데 왜 어떤 행성은 단단한 땅이 있고 어떤 행성은 없을까요. 태양계의 여덟 행성은 지구형 행성과 목성형 행성이라는 두 무리로 갈리고, 그 갈림은 행성이 태어난 자리의 온도에서 왔습니다.

안쪽 넷과 바깥 넷

수성·금성·지구·화성은 태양에 가까운 안쪽 넷으로, 지구와 닮아 지구형 행성이라 부릅니다. 목성·토성·천왕성·해왕성은 바깥 넷으로, 목성과 닮아 목성형 행성입니다. 두 무리는 크기부터 다릅니다. 지구의 반지름을 1 로 두면 목성은 11, 토성은 9 가 넘고, 가장 작은 목성형 행성인 해왕성도 지구의 4 배에 가깝습니다. 질량은 더 벌어져 목성 하나가 지구의 318 배입니다.

그런데 밀도는 거꾸로입니다. 지구형 행성은 1 cm³ 에 4~5.5 g 으로 암석과 철로 된 덩이의 밀도이고, 목성형 행성은 0.7~1.7 g 으로 물과 비슷합니다. 토성은 물보다 가벼워, 토성을 담을 만한 큰 물통이 있다면 뜰 것입니다. 크고 무거운데 밀도가 낮다는 것은 가벼운 물질로 되어 있다는 뜻입니다. 목성형 행성의 대부분은 수소와 헬륨이고, 지구형 행성은 철로 된 핵과 암석으로 된 맨틀·지각으로 되어 있습니다.

왜 안쪽은 암석, 바깥은 가스일까

태양계는 하나의 가스 구름, 원시 태양계 성운이 수축하며 태어났습니다. 가운데에 태양이 생기고 둘레에는 가스와 먼지의 원반이 돌았습니다. 원반은 태양에 가까울수록 뜨겁고 멀수록 차가웠습니다. 뜨거운 안쪽에서는 녹는점이 높은 암석과 금속만 알갱이로 굳고, 물·메테인·암모니아는 기체로 남아 굳지 못했습니다. 굳은 알갱이가 뭉쳐 자란 것이 안쪽의 작은 암석 행성입니다.

차가운 바깥에서는 암석·금속뿐 아니라 훨씬 양이 많은 얼음까지 굳었습니다. 재료가 많으니 알갱이가 뭉쳐 자란 핵도 컸고, 핵이 커지자 중력으로 주위의 수소와 헬륨 가스를 끌어모아 거대한 가스 행성이 되었습니다. 안쪽의 작은 행성은 중력이 약하고 주위도 뜨거워 가벼운 수소·헬륨을 붙잡아 두지 못했습니다. 그래서 지구형 행성의 대기는 이산화 탄소·질소처럼 무거운 기체로 되어 있고 양도 적으며, 목성형 행성의 대기는 수소와 헬륨이 두껍게 쌓여 있습니다.

자전·위성·고리도 두 무리로 갈립니다

목성형 행성은 크지만 빨리 돕니다. 목성의 하루는 10 시간이 안 되고, 토성은 11 시간, 천왕성과 해왕성도 18 시간을 넘지 않습니다. 지구형 행성은 지구와 화성이 24 시간 안팎이고, 수성은 59 일, 금성은 243 일이 걸립니다. 자전이 빠르면 적도 쪽이 부풀어, 목성형 행성은 눈에 띄게 납작합니다.

위성과 고리도 다릅니다. 지구형 행성의 위성은 지구에 하나, 화성에 둘이고 수성과 금성에는 없습니다. 목성형 행성은 저마다 열 개가 넘는 위성을 거느리고, 넷 모두 고리가 있습니다. 토성의 고리가 가장 뚜렷하지만 목성·천왕성·해왕성에도 가늘고 어두운 고리가 있습니다. 큰 질량이 주위의 작은 천체를 많이 붙잡아 두었기 때문입니다. 다른 별을 도는 외계 행성에서도 같은 두 갈래가 보입니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 분류: 지구형 수성·금성·지구·화성, 목성형 목성·토성·천왕성·해왕성. 경계에 소행성대.
• 지구형 → 목성형으로 갈 때: 반지름·질량 증가, 밀도 감소, 자전 주기 감소(빨리 돈다), 위성 수 증가, 고리 없음 → 있음, 편평도 증가.
• 구성: 지구형은 암석·철, 대기는 이산화 탄소·질소 같은 무거운 기체(적거나 없음). 목성형은 수소·헬륨, 대기 두꺼움.
• 까닭: 원시 태양계 성운의 온도 차이 — 안쪽은 암석·금속만 응결, 바깥은 얼음까지 응결 → 큰 핵 → 가스를 끌어모음.
• 그래프 읽기: 밀도–반지름, 질량–자전 주기 자료에서 두 무리가 뚜렷이 갈리는 자리를 찾습니다.
• 공전과 자전은 따로: 바깥 행성은 공전 주기는 길고(케플러 법칙) 자전 주기는 짧습니다.

자주 헷갈리는 것

• "목성형 행성은 질량이 크니 밀도도 크다" — 밀도는 거꾸로 작습니다. 수소·헬륨으로 되어 있기 때문입니다.
• "목성형 행성은 속까지 전부 기체다" — 깊이 들어가면 압력에 짓눌린 액체 수소가 있고 가운데에는 암석·얼음 핵이 있습니다. 다만 땅이라 부를 단단한 표면은 없습니다.
• "크면 느리게 돈다" — 목성형 행성이 지구형보다 훨씬 빨리 자전합니다. 공전 주기가 긴 것과 혼동하지 마세요.
• "고리는 토성에만 있다" — 네 목성형 행성 모두 고리가 있습니다. 토성의 것이 가장 뚜렷할 뿐입니다.

정리합니다. 태양계 안쪽의 지구형 행성 넷은 작고 밀도가 크며 암석과 철로 되어 있고, 자전이 느리며 위성이 적고 고리가 없습니다. 바깥의 목성형 행성 넷은 크고 밀도가 작으며 수소와 헬륨으로 되어 있고, 자전이 빠르며 위성이 많고 고리가 있습니다. 두 무리의 차이는 원시 태양계 성운의 안쪽은 뜨겁고 바깥은 차가워 굳을 수 있는 물질이 달랐던 데서 왔습니다.