태양계의 행성 천왕성의 기원과 역사

천왕성

 

토성의 궤도에서 벗어나면 청록색의 행성인 천왕성이 존재합니다. 천왕성은 1781년 4월 천문학자이자 음악가인 윌리엄 허셜에 의해 처음 발견되었습니다. 1781년 3월, 그는 쌍둥이자리 근처에서 이상한 천체를 발견했지만, 태양으로부터 멀리 떨어져 있어 아직 꼬리가 발달하지 않은 혜성이라고 생각했습니다. 이후 꾸준히 관측한 결과 태양 주위를 도는 행성이라는 것이 확인되었습니다. 천왕성은 맨눈 대신 망원경으로 발견된 최초의 행성으로, 궤도 위치가 독일 천문학자 요한 엘레르트 보데가 주장한 보데의 법칙을 증명했다는 점에서 더욱 유명해졌습니다.

천왕성의 반지름은 25,559킬로미터로 토성 지름의 1/2보다 약간 작고 목성 지름의 1/3 정도입니다. 하지만 이는 지구보다 약 4배나 큽니다. 천왕성의 지름이 측정된 것은 1977년 掩蔽 때문인데, 이 때 행성은 망원경으로도 알 수 없을 정도로 작고 구름이 많아 다른 별의 표면을 지나갔습니다. 그것이 움직이는 속도와 별을 가리는 시간을 측정하고 계산함으로써 지금 우리가 알고 있는 천왕성의 지름을 계산할 수 있었습니다. 천왕성의 무게는 8.7×1025킬로그램으로 목성이나 토성보다는 작지만 지구보다는 약 15배나 큽니다.

 

천왕성은 어떤 모습인가?

천왕성의 대기는 약 83퍼센트의 수소, 15퍼센트의 헬륨, 2퍼센트의 메탄을 포함하고 있지만, 반사율이 높은 암모니아와 황은 대기의 깊은 곳에 있을 것입니다. 천왕성의 대기는 빨간 파장의 햇빛을 흡수하고 상당한 파장의 파란색과 초록색을 반사하기 때문에 일반적으로 청록색입니다.

적외선 관측에 의하면 천왕성의 온도는 대략 영하 215°C입니다. 이것은 목성이나 토성과 같은 열원을 가지고 있는 것으로 추정되는 태양보다 더 많은 에너지를 방출합니다. 방출되는 에너지는 목성, 토성, 해왕성보다 훨씬 적으며, 천왕성의 내부 에너지는 기체가 형성될 때 붕괴되는 중력 에너지 때문일 가능성이 높습니다.

천왕성의 내부는 목성이나 토성과는 조금 다릅니다. 목성이나 토성의 내부는 압력이 높지만 액체 금속 형태의 수소가 존재하지만, 천왕성의 내부 압력은 수소를 액체 금속으로 변환시키기에는 부족한 것으로 추정됩니다.
따라서 대기 중의 메탄과 암모니아의 얼음은 압력에 의해 이온화된 것으로 추정됩니다. 천왕성 내부는 압력이 낮고 밀도가 비슷하며 온도가 낮기 때문에 목성보다 수소, 헬륨, 암석, 얼음이 적을 것으로 예상됩니다.

 

성왕의 자전은 매우 독특합니다. 다른 행성과 달리 자전축은 거의 황도면에 놓여 자전합니다. 즉 천왕성의 적도면은 궤도면에 대해 약 98°의 경사를 가지고 역회전하며, 그 주기는 약 -17시간(-역회전을 의미함)입니다. 이 자전 주기를 구하는 방법에는 많은 어려움이 있었습니다. 자전축이 너무 기울어져 있기 때문에 도플러 효과를 적용하는 데 한계가 있었고, 지상 관측으로 계산한 자전 주기에 오차가 있었습니다. 적외선 관측으로 실제 자전 주기에 가까운 값이 나왔지만, 궁극적으로 천왕성의 자전 주기는 보이저의 자기장 측정으로 결정되었습니다.

회전축의 기울기 때문에 극은 적도보다 태양열을 더 많이 받는데, 신기하게도 전체 온도가 균일하고 그 이유는 아직 밝혀지지 않았습니다.천왕성은 태양으로부터 약 28억 8천만 킬로미터를 공전하며, 공전 주기는 84년입니다. 천왕성은 다른 행성들과 마찬가지로 태양의 주위를 타원형으로 공전하며, 태양 근처 약 27억 4천만 킬로미터와 약 30억 킬로미터까지 떨어집니다. 그리고 다른 행성들보다 약 6.8 km/s의 느린 속도로 공전합니다.

천왕성은 상대적으로 강한 자기장을 가지고 있습니다. 이 자기장의 축은 천왕성의 회전축에 대해 약 59° 기울어져 있습니다. 고에너지 입자들은 천왕성의 자기복사대에 갇혀 있지만, 지구에서 발견될 만큼 충분히 강하지는 않습니다. 이 입자들은 보이저 2호에 의해 발견되었습니다.

 

천왕성의 고리는 우연히 발견되었습니다. 그들은 천왕성의 물리적인 특징을 알아내기 위해 방정식을 관찰하는 동안 발견되었습니다. 별빛이 여러 번 변했다가 천왕성에 의해 가려지기 전에 다시 나타났을 때도 같은 현상이 관찰되었습니다. 이 관찰은 천문학자들이 별빛을 가린 것이 천왕성의 고리라는 것을 알 수 있게 해주었습니다. 아홉 개의 고리는 지구의 관찰에 의해 발견되었습니다. 나머지는 보이저 2호와 허블 우주 망원경에 의해 확인되었습니다. 천왕성의 고리는 토성 고리의 약 3분의 1 밝기로 극도로 어둡기 때문에 지구에서 쉽게 발견되지 않습니다. 토성의 고리가 대부분의 빛을 반사하는 반면, 천왕성의 고리는 먼지와 빛의 약 1%만 반사하는 소량의 검은 얼음 입자로 구성되어 있습니다.

 

천왕성

천왕성의 위성

천왕성에는 여러 개의 위성이 있지만 그 중 다섯 개의 위성은 인간에게 잘 알려져 있습니다. 천왕성의 다섯 위성 중 티타니아와 오베론은 1787년 허셜에 의해, 아리엘과 움브리엘은 한 세기 뒤 윌리엄 러셀에 의해 처음 발견되었고, 가장 작고 희미한 미란다는 1948년 제라드 카이퍼에 의해 발견되었습니다.

미란다는 이 다섯 위성 중 가장 작고 천왕성에 가장 가깝습니다. 보이저 2호의 관측 결과 파편들이 마치 매우 큰 충격이 있었던 것처럼 일그러진 것으로 나타났습니다. 천문학자들은 이 파편들이 한때 큰 충격으로 파괴되었다가 중력 때문에 다시 뭉친 것으로 보고 있습니다. 이 중 일부는 천왕성의 조석력에 의해 변형되었다는 이론도 있습니다.

아리엘은 천왕성으로부터 2.5일마다 약 190,000 km를 돌고 지름은 약 1,160 km입니다. 아리엘은 천왕성의 위성 중에서 가장 밝습니다.
Umbriel은 4일마다 약 266,000 km의 거리에서 천왕성의 궤도를 돌고 있으며, 그 지름은 약 1,170 km입니다. 이 달은 천왕성의 다섯 위성 중 가장 오래되고 가장 어둡습니다. 그 표면에는 거대하고 오래된 분화구가 있습니다.

티타니아는 천왕성을 약 8.7일의 주기로 약 43만 6천 킬로미터의 거리에서 공전하고 있습니다. 티타니아는 지름이 1,580 킬로미터인데, 다섯 위성 중 가장 큽니다.
가장 먼 오베론은 천왕성으로부터 약 583,000 km를 약 13.5일의 주기로 공전합니다. 지름이 약 1,520 km이고, 오래된 분화구가 많이 있습니다.

 

 

보이저 2호가 촬영한 천왕성

1977년에 발사된 보이저 2호는 약 10년 후인 1986년 1월 24일에 천왕성으로부터 약 81,500 km의 거리에 도달할 수 있었습니다. 보이저 2호는 천왕성에 접근하여 많은 사진을 보냈습니다. 사진들은 지상에서 관측된 것보다 300배 이상 더 나은 해상도를 보여주었고 수많은 위성과 반지 이미지를 포함했습니다. 이것은 천왕성이 발견된 지 약 200년 후에 인간이 배운 것보다 더 많은 정보입니다.

이 정보를 통해 천왕성의 숨은 달과 고리가 밝혀졌는데, 이는 태양을 향한 극지방보다 적도 지역에서 대기 온도가 더 높다는 변칙적인 현상이며, 천왕성의 자전축과 자기축이 다른 행성과 큰 차이가 있다는 새로운 사실이 밝혀졌습니다