수성의 움직임으로 태양을 탐구

수성은 태양에 가깝기 때문에 태양 중력의 영향을 매우 받기 쉽다(제공 : NASA/SDO)

태양은 나이를 먹을수록 질량이 줄어들고 서서히 중력이 약해져 가기 때문에 태양계 행성의 궤도는 넓어지고 있다. 그 관계를 이용하여 수성의 궤도 변화로부터 태양의 질량 감소 및 기타 파라미터가 직접 측정되었다.

NASA Team Studies Middle-aged Sun by Tracking Motion of Mercury
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2018/nasa-team-studies-middle-aged-sun-by-tracking-motion-of-mercury

NASA Team Studies Middle-aged Sun by Tracking Motion of Mercury

Solar system expansion and strong equivalence principle as seen by the NASA MESSENGER mission
https://www.nature.com/articles/s41467-017-02558-1

수성의 근일점(궤도 상에서 가장 태양에 접근하는 위치)은 시간이 지남에 따라 이동하는 것으로 알려져 있지만 그 요인의 대부분은 다른 행성으로 인한 중력이고 두 번째로 큰 영향은 태양의 중력으로 인한 시공의 왜곡이다. 아인슈타인이 발표한 일반상대성이론은 이 수성의 움직임을 잘 설명할 수 있어 설득력을 강화했다는 경위도 있다.

게다가 이들 2가지보다는 영향이 작지만 태양의 내부구조나 다이나믹스도 수성의 근일점 이동에 기여한다. 즉 수성의 움직임을 자세히 살펴보고 다른 영향을 빼면 태양의 내부구조 등을 알 수 있다.

NASA 고다드우주센터의 Antonio Genova 씨는 수성의 움직임 관측을 바탕으로 태양 질량의 감소를 직접 계측하는 연구를 실시했다.

Genova 씨는 우선 NASA의 수성탐사기 '메신저'의 전파추적 데이터를 이용하여 수성의 위치추산 정밀도를 향상시켰다. 메신저는 2008년과 2009년에 총 3회의 수성 플라이바이(접근 통과)를 실시했고 2011년 3월부터 2015년 4월까지 수성의 주회탐사를 실시하고 있다. 그 때 얻은 데이터로 수성의 움직임의 미묘한 변화로부터 역산하면 태양의 물리 파라미터가 수성의 궤도에 미치는 영향을 조사할 수 있다.

수성의 움직임의 약간의 변화를 분석하여 태양 자체와 그 역학이 행성의 궤도에 미치는 영향을 조사했다(제공 : NASA의 Goddard Space Flight Center)

여러 태양 매개변수를 상대론적 효과와 분리하는 위치추산 데이터를 기반으로 한 이전 연구에서는 달성할 수 없었던 것이었는데 이 연구는 실현에 성공했다. 탐사기와 수성의 궤도를 병행하여 다루는 것으로 태양 내부의 진화나 상대론적 효과 등에 관련된 불명확한 부분을 일거에 해결하는 새로운 수법을 개발해냈다고 말할 수 있다.

지금까지의 이론연구에서는 100억 년간 태양질량의 0.1%가 손실될 것으로 예측되어 왔다. 이것은 행성의 궤도가 1천문단위(약 1.5억km)당 연간 약 1.5cm 태양으로부터 멀어진다는 것을 의미한다. 한편 태양질량이 손실되는 속도를 이론이 아닌 관측에서 추정한 이번 연구에서는 종래의 이론보다 조금 낮은 값이 요구되었다.

태양질량 손실률의 정밀도 향상은 중력상수의 안정성 향상에도 기여한다. 중력상수는 정해진 수치라고 생각되어 왔지만 실제로 불변인지 여부는 물리학에서 근본적인 문제가 되고 있다. 이번 연구로 안정성이 달의 움직임 연구로부터 얻어진 값과 비교해 10배 향상되어 이 점에서도 중요한 성과다

매사추세츠 공과대학의 Maria Zuber 씨는 “이 연구는 태양계 전체에서 행성의 궤도변화를 측정함으로써 미래에 태양과 행성의 본질, 우주의 기본적인 작용에 대한 발견이 가능하다는 것을 보여준다”고 평가했다.