계산과 예측으로 발견된 행성 - 해왕성

[마르코]

윌리엄 허셜(William Herschel)이 1781년 토성 궤도 밖에서 천왕성을 발견한 뒤 그 궤도를 추적하던 많은 천문학자들은 원인을 알 수 없는 섭동이 천왕성 궤도에 영향을 주는 것을 알았고, 이에 천왕성 넘어 다른 행성이 존재할 수 있다는 생각을 갖기 시작했다.

1843년 영국의 케임브리지 대학의 존 애덤스(John Adams)는 졸업을 앞두고 천왕성 너머에 미지의 행성이 존재할 것이라고 주장했다. 그러나 아직 어린 학생이라는 이유로 그의 의견은 영국의 왕립 천문학자들에 의해 무시되었고, 1845년 프랑스에서는 과학자인 위르뱅 르베리에(Urbain Leverrier)가 애담스와 같은 결론을 얻어 과학 잡지에 발표했다. 1846년 독일의 요한 갈레(Johann Galle)는 이들이 예측한 위치에서 8등급의 별을 발견하였으며, 이것은 행성이었다. 당시 경쟁 국가였던 영국과 프랑스 사이에는 이 해왕성 발견의 공로에 대해 치열한 논쟁이 오갔지만 결국 해왕성 발견의 최대 업적은 애덤스와 르베리에에게 함께 돌아갔다.

계산과 예측으로 발견된 행성, 해왕성.

해왕성은 어떤 모습일까?

해왕성의 대기는 천왕성의 대기와 매우 비슷하다. 80% 정도가 수소로 구성되어 있고, 약 19%는 헬륨, 나머지는 에탄, 메탄 등으로 이루어져 있다. 대기의 적색광 흡수와 청색 반사로 인해 해왕성은 전체적으로 청색을 띤다. 대기 구성은 유사하지만, 해왕성의 대기 흐름은 천왕성에 비해 상대적으로 활발할 것이다. 이는 천왕성에서 볼 수 없는 대기의 회오리를 해왕성에서는 볼 수 있기 때문이다. 이 회오리를 ‘대암점(또는 대흑점, Great Dark Spot)'이라 불린다.

해왕성의 온도 또한 천왕성과 비슷하다. 평균 온도는 -214°C로 태양에 받는 열에 비해 방출하는 열이 많다. 이는 곧 목성과 토성처럼 열원이 존재한다는 것으로 추측할 수 있으며, 마찬가지로 중력 에너지의 효과로 볼 수 있다.

천왕성과 비슷한 구성 성분을 가진 해왕성의 대기. (왼쪽) 해왕성은 남극 쪽의 온도가 높다. (오른쪽)

해왕성의 크기는 약 24,766km이며, 질량은 약 1.02x10²⁶kg, 밀도는 1,638kg/m³ 정도로 천왕성과 매우 비슷하다. 따라서 내부구조 또한 비슷하다고 추측된다. 즉 목성과 토성의 내부에 존재하는 액체금속수소는 상대적으로 내부 압력이 작은 해왕성에는 존재하지 않을 것이고, 대기에 있는 메탄과 암모니아의 얼음이 이온화되어 있을 것으로 추측하고 있다. 목성에 비하여 낮은 압력과 비슷한 정도의 밀도, 낮은 온도 등을 감안할 때 해왕성의 내부 또한 천왕성과 비슷하게 수소와 헬륨 함량이 적고 암석과 얼음이 존재할 것이다.

보이저 2호가 촬영한 해왕성의 고리.

해왕성의 자전축은 공전 면에 비해 약 29.6° 기울어져 있으며, 약 16.08시간을 주기로 자전을 한다. 해왕성은 태양으로부터 약 45억km 떨어져서 공전을 한다. 해왕성의 궤도는 거의 원에 가까울 정도로 이심률이 낮은데, 가장 멀어질 때와 가까워지는 차이가 1억km 이하로 이는 궤도 반지름에 비해 매우 작은 것이다. 해왕성은 태양주위를 약 23.5km/s의 속도로 약 163.7년에 한 바퀴 돈다.  미지에 싸여 있던 해왕성의 자기장은 보이저 2호가 근접해서 관측한 후에야 많이 알려졌다. 관측된 해왕성의 자기장 세기는 지구의 약 0.4배 정도이다. 그리고 천왕성과 마찬가지로 해왕성의 자기축은 자전축에 대하여 크게 기울어져 있다. 이런 현상이 왜 나타나는지는 아직까지 연구 중이다. 해왕성의 고리는 천왕성의 고리 발견 방법으로 하여금 밝혀졌다. 직접 관측하기는 어려웠으나 해왕성이 배경의 별을 가리는 식을 일으킬 때, 별빛의 밝기 변화로 해왕성 고리의 존재를 알았다. 하지만, 직접 확실하게 본 것은 보이저 2호 덕택이었다. 고리를 가지고 있는 다른 행성들처럼 해왕성의 고리도 여러 개로 이루어져 있다.

해왕성의 위성, 트리톤

해왕성 또한 다른 거대 행성들처럼 여러 개의 위성들을 가지고 있다. 해왕성의 위성 중 가장 큰 것은 1846년 윌리엄 러셀(William Lassell)에 의해 발견된 트리톤(Triton)이다. 그리스 신화에 나오는 포세이돈(해왕성)의 아들 이름을 딴 트리톤은 보이저 2호에 의해 많은 자료가 제공되었다. 트리톤의 지름은 약 2,710km, 질량은 약 2.16x1022kg이다. 또한, 트리톤은 해왕성을 약 5.88일에 한 번 꼴로 일주한다. 보이저 2호가 보여준 트리톤은 추측했던 것보다 더 작고 밝으며 핑크색과 푸른색을 띠고 있었다. 그리고 질소입자들로 이뤄진 트리톤의 얼음 화산은 수 km의 높이까지 솟아올랐다가 가라앉으며, 주성분인 질소 이외에 메탄과 암모니아가 가득 찬 호수도 있다는 사실을 발표해 천문학자들의 관심을 끌었다. 트리톤은 다른 위성들과는 달리 역행을 하고, 목성의 이오와 토성의 타이탄과 함께 대기를 가진 위성이다.

해왕성의 위성 중 가장 큰 것은 러셀에 의해 발견된 트리톤이다.

해왕성의 비밀을 벗긴 보이저 2호의 활약

인류 역사상 최초로 해왕성의 비밀을 벗긴 보이저 2호는 망원 렌즈를 통해 얻은 수천 장의 사진을 지구로 전송했다.

1989년 여름, 12년의 긴 여행 끝에 보이저 2호가 해왕성의 북극 상공 약 4,950km까지 접근하였다. 인류 역사상 최초로 해왕성의 비밀을 벗긴 보이저 2호는 망원 렌즈를 통해 얻은 수천 장의 사진을 지구로 전송했다. 사진 속에는 해왕성의 푸른 대기와 적도 부근 왼쪽 끝쪽에 검은 대암점이 선명하게 찍혀 있었다. 또한, 보이저 2호는 해왕성의 대암점을 덮고 있는 구름층이 메탄 얼음으로 이루어졌으며, 대암점 부근에서는 수백 km/s의 속도의 폭풍이 불고 있다는 것 등을 밝혀냈다. 그러나 아직 이 대암점이 왜 어둡게 보이는가에 대해서는 알려진 것이 없다. 특히 보이저 2호가 보내온 자료에는 특이한 것들이 있었는데, 그 중 하나가 해왕성의 위성 트리톤의 공전 방향이었다. 보이저 2호는 트리톤에 최대한 접근해 비교적 상세한 자료를 보내왔는데, 트리톤은 해왕성의 적도 면에 약 20° 기울어진 궤도를 따라 약 5.88일을 주기로 공전하고 있으며 기이하게도 다른 위성들과는 달리 공전방향이 반대인 역행(逆行)을 하고 있었던 것이다. 이 역행의 현상으로부터 트리톤은 해왕성과 비슷한 시기에 같이 태어난 위성이 아니라 해왕성의 중력에 이끌려 해왕성 궤도로 들어온 위성이라고 추측하고 있다.

신화 속 해왕성 이야기

해왕성을 상징하는 기호.

해왕성(넵튠, Neptune)은 로마 신화에서 바다의 신 넵투누스(Neptunus)의 이름을 딴 것이다. 그리스 신화의 포세이돈과 유사하다고 볼 수 있다. 바다의 왕을 그대로 해석해서 우리는 해왕성(海王星)이라고 한다. 해왕성의 곁에는 포세이돈 또는 넵투누스의 아들이며, 바다의 작은 신 트리톤(Triton)이 공전하고 있다. 바다의 요정인 네레이스의 이름에서 유래한 네레이드(Nereid) 또한 해왕성을 공전하고 있다.

글 한국천문연구원 /   

출처:네이버캐스트