행성을 측정하는 방법에대해 알아보겠습니다.
지구 크기의 저울은 없지만, 달을 이용하면 쉽다
무게는 당신에게 작용하는 중력의 양으로 측정되며, 이는 달에서 지구보다 중력이 적기 때문에 지구에서보다 더 가벼울 것임을 의미합니다. 그래서 과학자들은 위치에 상관없이 항상 동일한 질량에 대해 이야기합니다.
행성의 질량을 계산하는 방법을 이해하려면, 먼저 1687년에 아이작 뉴턴 경에 의해 발표된 만유인력의 법칙이라는 원리부터 시작해야 합니다. 뉴턴의 작업은 우리에게 행성이 주변 사물에 어떻게 영향을 미치는지 살펴보라고 알려줍니다. 첫째, 달과 같은 편리한 두 번째 객체가 있는 행성을 찾습니다. 둘째, 달에서 행성까지의 거리를 측정합니다. 셋째, 한 번의 완전한 궤도를 시간으로 측정합니다. 이것은 달의 속도를 알려주며, 달이 더 빠르게 움직일수록 행성은 더 커야 합니다.
이것은 행성들의 상대적인 질량을 비교할 수 있게 해줍니다. 행성의 실제 질량을 알아내기 위해서는 1797년 헨리 캐번디시 경의 실험을 기다려야 했습니다. 그는 행성을 대표하는 두 개의 150kg 납구와, 달을 대표하는 두 개의 더 작은 구를 사용하여 그들 사이의 중력을 측정하는 실험을 설정했습니다. 캐번디시의 실험은 뉴턴의 퍼즐에서 빠진 부분, 즉 두 물체 사이의 중력을 그들의 질량과 거리에 관련시키는 G라는 값을 우리에게 알려주었습니다. G의 값을 뉴턴의 방정식에 대입함으로써 캐번디시는 지구의 질량을 6조 톤으로 계산했는데, 이는 오늘날 우리의 최선의 추정치와 1% 이내입니다.
행성을 측정하는 방법
1. 천문학적 관측
2. 물리적 법칙
천문학적 관측
1-1.케플러의 법칙을 이용한 방법
케플러의 제3법칙, 즉 조화의 법칙은 천체의 공전 주기와 평균 거리를 이용하여 중심 천체의 질량을 계산하는 데 사용됩니다. 이 법칙은 행성이나 위성이 중심 천체 주변을 도는 데 걸리는 시간(공전 주기)과 그 궤도의 장반경(거리)을 제곱비례의 관계로 연결합니다. 이 정보를 통해 중심 천체의 질량을 추정할 수 있습니다.
1-2. 동역학적 방법
천체가 다른 천체에 미치는 중력적 영향을 관찰함으로써 질량을 측정합니다. 예를 들어, 은하 중심의 블랙홀의 질량은 주변 별의 속도와 궤도를 분석하여 계산할 수 있습니다. 별이 블랙홀 주변을 빠르게 돌면 돌수록 중심에 있는 블랙홀의 질량이 크다는 것을 의미합니다.
1-3. 중력 렌즈 효과를 이용한 방법
중력 렌즈는 빛이 매우 큰 질량을 지닌 천체(예: 대규모 은하단) 근처를 지날 때, 그 천체의 중력에 의해 굴절되는 현상입니다. 이 굴절된 빛을 분석하여 중력 렌즈를 만드는 천체의 질량을 추정할 수 있습니다.
1-4. 시스템의 복잡한 동적 상호작용 분석
다중 별 시스템이나 은하단과 같이 복잡한 동적 상호작용을 보이는 시스템에서는 여러 개체의 궤도 데이터를 통해 시스템의 총 질량을 추정할 수 있습니다. 이는 시스템 내의 모든 개체들이 서로에게 미치는 중력적 영향을 고려하여 계산됩니다.
1-5. 진화적 모델링을 통한 방법
별의 질량은 그 별의 밝기, 온도, 그리고 스펙트럼 유형을 분석함으로써 예측할 수 있습니다. 별의 이러한 특성은 별의 질량과 밀접하게 연관되어 있으며, 천체물리학적 모델을 사용하여 질량을 추정합니다.
물리적 법칙
2-1. 뉴턴의 제2법칙을 이용한 방법
뉴턴의 제2법칙 F=ma (힘 = 질량 × 가속도)은 질량을 측정하는 기본적인 방법입니다. 특정한 힘이 알려진 물체에 작용할 때 그 물체가 얻는 가속도를 측정함으로써 질량을 계산할 수 있습니다. 이 방법은 실험실 환경에서 주로 사용됩니다.
2-2. 만유인력의 법칙을 이용한 방법
뉴턴의 만유인력의 법칙은 두 물체 사이의 중력이 물체의 질량과 거리의 제곱에 반비례하는 관계를 설명합니다. 이 법칙을 이용하여 한 물체의 질량이 알려져 있을 때 다른 물체의 질량을 계산할 수 있습니다. 예를 들어, 지구와 달의 거리와 중력을 통해 달의 질량을 추정할 수 있습니다.
2-3. 중력 실험을 통한 방법
헨리 캐번디시의 중력 실험은 두 납구 사이의 매우 작은 중력적 인력을 측정하여 중력 상수 G를 결정했습니다. 이 상수는 다른 천체의 질량을 계산하는 데 필수적입니다. 캐번디시의 실험은 또한 지구의 질량을 계산하는 데 직접적으로 사용될 수 있습니다.
2-4. 관성 질량과 중력 질량
물리학에서는 두 종류의 질량을 구별합니다: 관성 질량과 중력 질량. 관성 질량은 물체가 가속될 때 반응하는 물체의 성질을, 중력 질량은 물체가 다른 물체의 중력에 반응하는 성질을 나타냅니다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 이 두 질량은 동일합니다.
2-5. 관성 모멘트를 통한 방법
특정 축 주위로 회전하는 물체의 질량 분포를 측정할 수 있는 관성 모멘트를 계산함으로써 질량을 추정할 수 있습니다. 이 방법은 복잡한 형상의 물체나 천체의 질량 분포를 이해하는 데 유용합니다.