동주기 자전
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同週期自轉/Synchronous rotation
동주기 자전 또는 '''조석 고정'''(潮汐固定, Tidal locking)이란, 모체 주위를 공전하는 천체가 공전과 같은 주기로 자전을 하는 현상을 말한다. 달이 이러한 운동을 하기 때문에 지구에선 늘 달의 앞면만 보이며 위성 표면에서 행성을 바라볼 때 마치 행성은 위성의 하늘 한 곳에 움직이지 않고 고정되어 있는 것처럼 보이는 것을 의미하기도 한다. 큰 천체가 항성이고 작은 천체가 행성일 경우, 한쪽 반구는 영원한 낮이, 반대쪽 반구는 영원한 밤이 지속된다.
모체의 조석력에 의해 그 모체를 도는 천체의 모양은 타원체로 변형되게 되는데, 이때 장축(타원의 가장 긴 부분)이 모체와 그 천체를 연결하는 선을 벗어나면 모체의 중력에 의한 회전력이 작용한다. 이러한 현상이 계속되어 결국 모체를 도는 천체의 조석은 모체 쪽으로 고정되고, 따라서 공전주기와 자전주기가 같아지게 되는 것이다. 조석력, 또는 기조력은 천체가 타원체로 변형되는 정도가 클수록, 또 천체와 공전 모체의 거리가 가까울수록 더 크게 작용할 수 밖에 없는데[1], 이 때문에 모체 항성과 공전하는 거리가 먼 행성들보다는 모체 행성과 공전하는 거리가 가까운 위성들이 주로 조석 고정된다. 또한 천체의 재질의 탄성계수가 작아서 타원체 변형이 잘 될 경우 기조력에 의한 영향을 보다 크게 받는다.
이론적으로 공전주기와 자전주기가 일치할 경우 타원체 변형에 의해서 돌림힘이 작용하지 않고, 자전이 공전보다 주기가 짧거나 길수록 조석력이 강력하게 발생하게 되어 자전 주기에 미치는 영향이 커진다. 결국 모든 천체는 수명이 다하거나 주위 항성에게 집어삼켜지지 않는다면 언젠가는 자전주기가 점점 변하다가 결국 공전주기와 일치하게 된다는 것. 이것이 완료되면 조석 고정되었다고 한다. 단, 주변에 이를 중력으로 흐뜨려줄 다른 천체가 가까이 있는 경우에는 해당되지 않는다.
태양계의 거의 모든 위성들은 동주기 자전을 하며, 오히려 동주기 자전을 하지 않는 위성을 찾는 것이 더 힘들다.
동주기 자전을 하지 않는 태양계 내 가스 행성들의 위성은 대부분 포획된 불규칙 위성(Irregular moon)들이며, 그마저도 현재 직접 확인된 것들 중에서는 포에베와 네레이드 이 두 개 밖에 없다.[4] 규칙 위성(Regular moon)들 중에 동주기 자전을 하지 않는 위성은 토성의 위성인 하이페리온 딱 한 개만 확인되었다.[5]
태양계 내의 행성들은 동주기 자전을 하지 않지만 다른 행성계에서는 동주기 자전을 할 것이라 추측되는 행성들이 몇 개 있다. 글리제 581나 TRAPPIST-1의 행성들이 동주기 자전을 할 것으로 추측된다.
대부분의 쌍성들도 서로 동주기 자전을 할 것이라고 추측된다.
지구는 75억년 후에 동주기 자전을 할 것으로 예상된다. 그러나 인류의 개입이 없는 한 이미 지구의 모든 생명체가 그보다 수십억년 전에 사망했을 것이다.
게임 Kenshi의 배경은 밤이나 낮이나 하늘의 고정된 위치에 대륙과 바다가 있는 지구형 행성이 떠있는 것으로 보아 동주기 자전 중인 위성이라고 추측되었고 개발자의 인터뷰에서 맞다고 인증되었다.
同週期自轉/Synchronous rotation
1. 개요
동주기 자전 또는 '''조석 고정'''(潮汐固定, Tidal locking)이란, 모체 주위를 공전하는 천체가 공전과 같은 주기로 자전을 하는 현상을 말한다. 달이 이러한 운동을 하기 때문에 지구에선 늘 달의 앞면만 보이며 위성 표면에서 행성을 바라볼 때 마치 행성은 위성의 하늘 한 곳에 움직이지 않고 고정되어 있는 것처럼 보이는 것을 의미하기도 한다. 큰 천체가 항성이고 작은 천체가 행성일 경우, 한쪽 반구는 영원한 낮이, 반대쪽 반구는 영원한 밤이 지속된다.
2. 상세
모체의 조석력에 의해 그 모체를 도는 천체의 모양은 타원체로 변형되게 되는데, 이때 장축(타원의 가장 긴 부분)이 모체와 그 천체를 연결하는 선을 벗어나면 모체의 중력에 의한 회전력이 작용한다. 이러한 현상이 계속되어 결국 모체를 도는 천체의 조석은 모체 쪽으로 고정되고, 따라서 공전주기와 자전주기가 같아지게 되는 것이다. 조석력, 또는 기조력은 천체가 타원체로 변형되는 정도가 클수록, 또 천체와 공전 모체의 거리가 가까울수록 더 크게 작용할 수 밖에 없는데[1], 이 때문에 모체 항성과 공전하는 거리가 먼 행성들보다는 모체 행성과 공전하는 거리가 가까운 위성들이 주로 조석 고정된다. 또한 천체의 재질의 탄성계수가 작아서 타원체 변형이 잘 될 경우 기조력에 의한 영향을 보다 크게 받는다.
이론적으로 공전주기와 자전주기가 일치할 경우 타원체 변형에 의해서 돌림힘이 작용하지 않고, 자전이 공전보다 주기가 짧거나 길수록 조석력이 강력하게 발생하게 되어 자전 주기에 미치는 영향이 커진다. 결국 모든 천체는 수명이 다하거나 주위 항성에게 집어삼켜지지 않는다면 언젠가는 자전주기가 점점 변하다가 결국 공전주기와 일치하게 된다는 것. 이것이 완료되면 조석 고정되었다고 한다. 단, 주변에 이를 중력으로 흐뜨려줄 다른 천체가 가까이 있는 경우에는 해당되지 않는다.
3. 예시
태양계의 거의 모든 위성들은 동주기 자전을 하며, 오히려 동주기 자전을 하지 않는 위성을 찾는 것이 더 힘들다.
동주기 자전을 하지 않는 태양계 내 가스 행성들의 위성은 대부분 포획된 불규칙 위성(Irregular moon)들이며, 그마저도 현재 직접 확인된 것들 중에서는 포에베와 네레이드 이 두 개 밖에 없다.[4] 규칙 위성(Regular moon)들 중에 동주기 자전을 하지 않는 위성은 토성의 위성인 하이페리온 딱 한 개만 확인되었다.[5]
태양계 내의 행성들은 동주기 자전을 하지 않지만 다른 행성계에서는 동주기 자전을 할 것이라 추측되는 행성들이 몇 개 있다. 글리제 581나 TRAPPIST-1의 행성들이 동주기 자전을 할 것으로 추측된다.
대부분의 쌍성들도 서로 동주기 자전을 할 것이라고 추측된다.
지구는 75억년 후에 동주기 자전을 할 것으로 예상된다. 그러나 인류의 개입이 없는 한 이미 지구의 모든 생명체가 그보다 수십억년 전에 사망했을 것이다.
게임 Kenshi의 배경은 밤이나 낮이나 하늘의 고정된 위치에 대륙과 바다가 있는 지구형 행성이 떠있는 것으로 보아 동주기 자전 중인 위성이라고 추측되었고 개발자의 인터뷰에서 맞다고 인증되었다.
4. 함께 보기
[1] 거리가 아주 멀다면 행성 자체 반지름은 모체와의 거리에 비했을 때 무시 가능한 수준이 돼버린다. 행성 자체 반지름이 모체와의 거리에 비해 유의미할 수 있어야 기조력이 유의미해진다.[2] 유일하게 동주기 자전을 하는 것으로 알려진 불규칙 위성이다.[3] 카론 뿐만 아니라 명왕성도 조석 고정 상태이므로, 두 천체 모두 서로를 마주보고 공전한다.[4] 불규칙 위성들 중 대다수가 지상의 관측으로 발견된 것들이기 때문에 자전 주기를 측정할 수 없어 동주기 자전을 하는지 알 수 없다. 다만 트리톤을 제외한 대다수의 불규칙 위성들은 동주기 자전을 하지 않을 것이라 추측된다.[5] 하이페리온은 일정한 자전주기가 없다. 큰 궤도 이심률과 위성 타이탄의 중력의 영향에 의해 자전축이 불안정해져서 자전주기가 불규칙적이다.