[태양계] 일곱번째 행성, 천왕성

천왕성(Uranus)은 태양계에 8개 행성 중 일곱번째 행성입니다.

 

[일반] 태양계의 행성들 중 세 번째로 반지름이 크고 네 번째로 질량이 크죠. 영어 이름 '우라노스(Uranus)'는 크로노스의 아버지이자 제우스의 할아버지인 그리스의 신 우라노스에서 따온 것입니다. 이 행성은 기존의 다섯 행성들처럼 맨눈으로 볼 수 있음에도 불구하고 하늘에서 매우 느리게 움직이는데다 매우 어둡기 때문에 그 존재가 오랫동안 인류에게 밝혀지지 않았다는 것입니다. 천왕성은 여러 다른 천문학자들에게 맨눈으로 관측되기도 하였으나, 그들은 모두 천왕성을 어두운 별이라고만 생각하였죠. 천왕성의 최초 발견자로 불리는 윌리엄 허셜도 천왕성을 아주 큰 망원경으로 보고 동그란 모양이라는 점 때문에 처음엔 꼬리가 발달하지 않은 혜성인 줄 알았다고 합니다. 그는 1781년 3월 13일 천왕성의 발견을 공식적으로 발표했으며 근대 천문학사에서 최초로 다섯 행성 너머로 태양계의 지평을 넓히는 업적을 남겼습니다. 천왕성은 맨눈이 아닌 기술 망원경을 이용하여 발견한 최초의 행성이기도 합니다.

 

[관측] 천왕성의 실시 등급은 1995년에서 2006년까지 +5.6과 +5.9 사이에서 변동했으며, 육안 관측 한계인 +6.5 등급보다 밝기 때문에 의외로 맨눈으로도 볼 수 있습니다. 각지름은 3.4 ~ 3.7 각초이며, 16 ~ 20 각초인 토성 및 32 ~ 45 각초인 목성보다는 작습니다. 천왕성은 깜깜한 하늘에서 육안으로 볼 수 있으며, 쌍안경이 있다면 도시 지역에서도 쉽게 관측할 수 있습니다. 대물렌즈 구경이 15 ~ 23 cm인 대형 아마추어 망원경으로는 희미한 청록색 원반 모양와 주연감광을 확인할 수 있죠. 대물렌즈가 25 cm보다 큰 대형 망원경으로는 구름 모양과 티타니아, 오베론과 같은 큰 위성도 볼 수 있습니다.

 

[자전] 천왕성은 84년 주기로 태양을 30억 km ( 약 20 천문단위 ) 거리에서 한 바퀴 돕니다. 천왕성에서 태양을 본다면 지구에서보다 400배 희미하게 보일 것입니다. 궤도 요소들은 피에르-시몽 라플라스에 의해 1783년 처음으로 계산되었습니다. 이후 1841년 존 카우치 애덤스는 처음으로 천왕성의 중력적 영향에 의한 새로운 행성 예견을 하였으며, 1845년에 르 비에르는 천왕성의 궤도에 대한 독자적인 연구를 시작했다고 합니다. 1846년 9월 23일, 요한 갓필드 갈레는 새 행성을 찾았으며, 이후 이름을 "해왕성"이라 지었습니다. 그것은 르 비에르가 예견했던 곳과 매우 비슷한 곳에서 발견된 것입니다. 천왕성의 자전 주기는 17시간 14분 정도입니다. 그러나, 모든 거대 가스 행성들의 상부 대기는 자전의 방향으로 심한 바람을 받습니다. 결국, 실제 보이는 천왕성의 대기는 실제 자전 주기보다 빠르게 움직이며 한번 전체적인 대기가 자전하는데는 14시간도 채 걸리지 않는다고 합니다.

[구성] 천왕성을 이루고 있는 물질은 가스 행성인 목성, 토성과는 그 조성물이 다릅니다. 이런 이유로 천문학자들은 종종 이들을 ‘얼음 거대 행성’이라는 이름으로 구별하고 있습니다. 천왕성의 대기는 목성이나 토성의 대기처럼 수소와 헬륨으로 이루어져 있으나, 물, 암모니아, 메테인, 소량의 탄화 수소와 같은 휘발성 물질들이 더 많이 섞여 있죠. 천왕성의 대기는 태양계 행성들 중 가장 차가운데 그 온도는 최소 49K (–224°C)에 이릅니다. 천왕성이 해왕성보다 더 차가운 이유는 해왕성 내부에서 이유를 알 수 없는 열이 발생하기 때문인데요. 천왕성 대기에는 복잡하게 층이 진 구름의 구조가 형성되어 있는데 고도가 낮은 층의 구름은 물로 이루어져 있고 그 위층의 구름들은 메테인의 결정일 것으로 추측하고 있습니다. 천왕성의 내부를 구성하는 물질은 거대 가스 행성과는 달리 주로 얼음과 암석입니다. 해왕성과 마찬가지로 언 메탄이 표면을 이루고 있는데, 해왕성과 달리 조금 더 초록색을 띠고 있습니다. 플램스티드 명명법에서는 '황소자리 34'로 불리고 있습니다. 플램스티드가 발견 당시에 천왕성을 항성으로 오인했기 때문이죠. 표면 중력이 지구보다 작기 때문에 사람이 천왕성에서 몸무게를 재면 지구에서의 무게의 88%가 나간다고 하네요.^^ 천왕성의 질량은 지구의 약 14.5배로 가스 행성들 중에서 가장 가볍고 밀도 또한 1.27 g/cm³으로 토성 다음으로 낮습니다. 천왕성의 반지름은 해왕성보다 조금 더 크나(지구의 4배가 약간 넘음), 밀도가 낮기 때문에 질량은 해왕성보다 작습니다. 밀도가 낮은 것으로부터 천왕성 내부는 물, 암모니아, 메테인 등 여러 종류의 물질이 섞인 상태에 있음을 추측할 수 있죠. 천왕성 내부 얼음 물질의 총질량은 정확히 알려져 있지 않으며 선택된 모형에 따라 다른 값이 도출됩니다. 그러나 여러 모형에 근거할 때 얼음 물질의 질량은 지구의 9.3 ~ 13.5배 정도일 것이라고 추측됩니다. 수소와 헬륨이 천왕성 전체 질량에서 차지하는 비율은 매우 작은데, 그 질량은 지구의 0.5 ~ 1.5배에 불과합니다. 얼음 물질과 가벼운 기체 물질을 제외한 나머지 질량(지구 질량의 0.5 ~ 3.7배)은 암석 물질일 것으로 추측하고 있죠.

 

[대기] 천왕성 내부에는 고체 표면이 없는 것으로 생각되지만 천왕성의 기체 외피 가장 바깥쪽 부분에는 원격 탐사가 쉬운 부분이 있는데, 여기를 천왕성의 대기라고 부릅니다. 천왕성의 대기는 대략 300 km 아래, 압력이 1 바(100 kPa)이고 온도는 320 켈빈인 곳까지 원격 탐사가 가능한 것으로 나타났습니다. 미약한 코로나는 1 바 압력의, 명목상의 ‘표면’에서 행성 반경의 두 배 이상 펼쳐져 있습니다. 천왕성의 대기는 3개의 층으로 나뉘는데, 고도 -300 ~ 50 km에 압력 100 ~ 0.1 바(10 MPa ~ 10 kPa)인 대류권, 고도 50 ~ 4000 km에 압력 0.1 ~ 10-10 바(10 kPa ~ 10 µPa)인 성층권, 그리고 고도 4000 km ~ 표면으로부터 50000 km 높이까지 펼쳐진 열권과 코로나층으로 구분됩니다. 천왕성의 대기에는 수소가 약 83%, 헬륨이 15%, 메탄 2% 등이 포함되어 있으며, 반사율이 높은 암모니아와 황이 대기의 깊숙이 있을 것으로 추측하고 있습니다. 천왕성의 대기는 태양빛의 적색 파장을 흡수하고 청색과 녹색의 파장 상당량을 반사하기 때문에 전체적으로 청록색을 띠고 있는 것이 특징입니다.

 

태양으로부터 7번째, 연한 청록색을 띄고 있는 천왕성입니다.

[위성] 다른 가스 행성들과 마찬가지로 천왕성은 고리, 자기장, 수많은 자연 위성을 지니고 있습니다. 천왕성계(系)는 자전축이 약 98도 정도로 크게 기울어져 있어 거의 공전면과 맞닿을 정도입니다. 다시 말하자면 천왕성의 북극 및 남극이 가리키는 방향은 다른 행성들의 적도가 가리키는 방향과 비슷하죠. 지구에서 보았을 때 천왕성의 고리는 종종 과녁 모양처럼 천왕성 주위를 둥글게 두르고 있으며, 위성들은 천왕성을 시계 방향으로 회전하는 것처럼 보입니다. 다만 2006년부터 2007년에 걸쳐 천왕성의 고리는 우리의 시선 방향과 평행하게 놓여 보이지 않았습니다. 1986년 보이저 2호가 천왕성을 스쳐 지나갔는데 이 때 보이저가 가시광선 영역에서 바라본 천왕성은 다른 가스 행성들이 흔히 보여주는 구름띠나 태풍의 모습이라고는 찾을 수 없는, 특징 없는 밋밋한 행성이었다고 합니다. 그러나 지구 관측자들은 최근 수 년에 걸쳐 천왕성이 분점에 접근하면서 날씨 변화 및 계절적 변화를 보이는 것을 관측했습니다. 천왕성에서의 바람 속도는 초당 250미터에 이른다고 합니다.

[고리] 천왕성 또한 토성처럼 희미한 행성 고리를 지니는데 직경 10미터까지의 어두운 미립자로 구성되어 있습니다. 이는 태양계에서 토성 다음으로 두 번째로 발견된 고리라고 합니다. 각각 구분되는 13개의 고리들이 현재 알려져 있고 가장 밝은 고리는 엡실론 고리라고 명명되었습니다. 천왕성의 고리들은 생성된 지 오래 되지 않았을 가능성이 있는데요, 이들의 투명도의 차이나 틈은 이들이 천왕성과 함께 형성되지 않았음을 시사하고 있습니다. 고리를 이루는 물질은 고속 충돌이나 조석력으로 인해 부서진 위성이었을 수 있다는 가설도 제기되고 있습니다. 현재 미국 항공우주국의 보이저 2호만이 천왕성을 탐사해보았으며, 다른 탐사 계획 역시 없는 상태입니다. 1977년 발사된 보이저 2호는 1986년 1월 24일 천왕성의 대기 최상단으로부터 81,500 km 지점까지 근접하여 천왕성을 관측하였습니다. 보이저 2호는 천왕성 대기의 구조와 화학적 성분을 분석하였고, 10개의 새로운 위성을 발견하였으며, 97.77°라는 축 기울기 때문에 생기는 천왕성 특유의 기상 상태를 측정하였고, 천왕성의 고리들과 자기장을 탐사했습니다. 또한 천왕성의 5대 위성을 처음으로 자세하게 연구하였고, 지금까지 알려진 9개의 고리계를 모두 탐사했으며, 2개의 새로운 고리를 찾아낸 후 해왕성으로 향하고 있습니다.

 

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2023.04.04 - [우주과학] - [태양계] 여섯번째 행성, 토성

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