망원경으로 발견된 최초의 행성인 "천왕성"

[명사십리]

태양계의 행성 천왕성

망원경으로 발견된 최초의 행성

토성의 궤도를 넘어서면 청록색의 행성 천왕성이 존재한다. 천왕성은 1781년 4월 천문학자이자 음악가인 윌리엄 허셜(William Herschel)에 의해 처음으로 발견되었다. 1781년 3월 그는 쌍둥이자리 근처에서 이상한 천체를 발견하였으나 이를 태양에서 멀리 떨어져 있어 꼬리가 아직 발달되지 않은 혜성일 것이라 생각했다. 이후 꾸준한 관측결과 이 천체가 태양을 중심으로 공전하는 행성인 것을 확인하였다. 천왕성은 육안이 아닌 망원경으로 발견된 최초의 행성이며, 발견된 궤도위치가 독일의 천문학자 요한 보데(Johann Elert Bode)가 주장한 보데의 법칙을 증명해주었다는 점에서 더 유명해졌다.

천왕성은 반지름 25,559km의 구형으로서 토성의 지름의 약 1/2보다 조금 작고 목성 지름의 약 1/3에 해당한다. 그러나 지구보다는 약 4배나 크다. 망원경으로 보아도 아주 작고 흐려 크기를 결정할 수 없었던 천왕성의 지름을 측정한것은 1977년 어떤 행성이 다른 별의 표면을 통과하는 엄폐(掩蔽)현상이 이 천왕성에게 나타났기 때문이다. 이때 천왕성이 움직이는 속도와 별을 가리는 시간을 측정하여 계산한 결과 지금 우리가 알고 있는 천왕성의 지름을 계산할 수 있었던 것이다. 천왕성의 질량은 목성, 토성보다 작긴 하지만 지구의 약 15배에 이르는 8.7×1025kg이다.

윌리엄 허셜의 발견으로 모습을 드러낸 푸른색의 행성, 천왕성

푸른색의 행성, 천왕성은 어떤 모습일까?

천왕성의 대기는 태양빛의 적색 파장을 흡수하고 청색과 녹색의 파장을 반사하기 때문에 전체적으로 청녹색을 띤다.

천왕성의 대기에는 수소가 약 83%, 헬륨이 15%, 메탄 2% 등이 포함되어 있으며, 반사율이 높은 암모니아와 황이 대기의 깊숙이 있을 것이다. 천왕성의 대기는 태양빛의 적색 파장을 흡수하고 청색과 녹색의 파장 상당량을 반사하기 때문에 전체적으로 청록색을 띤다.

적외선 관측에 의한 천왕성의 온도는 대략 -215°C이다. 이는 태양으로 받은 에너지보다 높게 방출되는 것으로 목성이나 토성과 같이 천왕성의 내부에도 열원이 있을 것이라 추정된다.방출되는 에너지는 목성과 토성, 해왕성에 비하여 매우 적은 편이며, 천왕성의 내부 에너지도 행성이 형성될 때 붕괴되는 가스들에 의한 중력에너지가 그 근원일 것이다.

천왕성의 내부는 목성, 그리고 토성과는 조금 다르다. 목성과 토성의 내부에는 높은 압력으로 인해 액체금속형태의 수소가 존재하지만, 천왕성은 내부 압력이 수소를 액체금속으로 변환시키기에는 부족할 것으로 추측된다.

따라서 대기에 있는 메탄과 암모니아의 얼음이 압력에 의해 이온화되어 존재할 것으로 추정하고 있다. 목성에 비하여 낮은 압력과 비슷한 정도의 밀도(약 1,271kg/m³),낮은 온도 등의 특징으로 미루어천왕성의 내부에는 수소와 헬륨의 함량이 적고, 암석과 얼음이 존재할 것으로 보고 있다.

천왕성은 자전축이 거의 황도면에 누워있는 형태로 자전을 한다.

천왕성의 자전은 매우 특이하다. 다른 행성과는 전혀 다르게, 자전축이 거의 황도면에 누워 있는 형태로 자전을 한다. 즉 천왕성의 적도면은 공전궤도면에 약 98° 기울어진 역회전을 하고, 주기는 약 -17시간 정도(‘-’는역회전임을 뜻한다.)이다. 이 자전주기를 구하는 방법에는 많은 어려움이 있었다. 자전축이 너무 기울어져 있는 탓에 도플러 효과를 적용하는 데 한계가 있었고, 지상관측을 통해 계산한자전주기는 오차가 있었다. 적외선 관측으로 실제 자전주기에 거의 근접한 값을 얻게 되었으나, 최종적으로는 보이저의 자기장 측정에서 천왕성의 자전주기를 결정할 수 있었다.

자전축의 기울기로 인해 극 주변이 적도 주변보다 많은 태양열을 받지만 신기하게도 전체적으로 온도가 균일한데, 이 이유는 아직 해명되지 않았다.

천왕성은 태양으로부터 약 28억 8천만km 떨어진 곳에서 공전을 하고 있고, 공전주기는 대략 84년이다. 천왕성도 역시 다른 행성들과 같이 타원의 형태로 태양을 공전하고 있고, 태양과 가까울 때는 약 27억 4천만km, 멀리 있을 때는 약 30억km까지 떨어진다. 그리고 다른 행성들에 비하여 느린 속도인 약 6.8km/s로 공전을 한다.

천왕성은 상대적으로 강한 자기장을 가지고 있다. 자기장의 축(자기장의 남쪽과 북쪽을 잇는 가상의 축)은 천왕성의 자전축에 비해 약 59° 기울어져 있다. 높은 에너지의 입자들이 천왕성의 자기 복사 대에 갇혀 있지만, 지구에서 발견될 수 있을 만큼 강하지는 못했다. 그 입자들은 보이저 2호에 의하여 발견되었다.

천왕성의 고리 관측 사진.

천왕성의 고리는 우연히 발견되었다. 천왕성의 물리적 특성을 알아보기 위해 식(천왕성이 배경의 별을 가리는 현상)을 관측하던 중 발견한 것이었다. 별빛이 천왕성에 가려지기 전에 수차례 밝기의 변화가 생겼고, 다시 나타날 때에도 같은 현상이 관측되었다. 이 관측으로 천문학자들은 별빛을 가리는 것은 천왕성의 고리라는 것을 알아냈다. 이렇게 지구에서의 관측으로 9개의 고리들이 발견되었다. 나머지 고리들은 보이저 2호와 허블 우주망원경으로 밝혀냈다. 천왕성의 고리가 지구에서 쉽게 발견되지 못한 것은 토성 고리 밝기의 약 1/300만 정도로 아주 어둡기 때문이다. 토성의 고리가 빛의 대부분을 반사시키는 데 반해 천왕성의 고리는 약 1%밖에 반사시키지 못하는 먼지와 소량의 검은 얼음알갱이로 이루어졌다.

천왕성의 다섯 위성들

천왕성의 위성.

천왕성에는 여러 개의 위성이 있지만, 그 중 다섯 개의 위성이 사람들에게 많이 알려져 있다. 천왕성의 다섯 개의 위성 중 타이타니아(Titania)와 오베론(Oberon)은 1787년 허셜에 의해 제일 먼저 발견되었으며, 아리엘(Ariel)과 움브리엘(Umbriel)은 한 세기가 지난 후 윌리엄 러셀(William Russel)에 의해, 가장 작고 희미한 미란다(Miranda)는 1948년 제러드 카이퍼(Gerard Kuiper)에 의해 발견되었다.

미란다는 이 다섯 위성들 중에 천왕성에 가장 가까이 있고, 가장 작은(지름이 약 480km) 위성이다.보이저 2호의 관측결과 굉장히 큰 충돌이 있었던 것처럼 형태가 일그러져 있었다. 천문학자들은 이에 대해 과거에 커다란 충돌로 인해 파괴되었다가 중력으로 인해 그 파편들이 다시 뭉쳐진 것으로 보고 있다. 천왕성의 조석력에 의해 일부분을 변형시켰다는 설도 있다.

아리엘은 천왕성과 약 19만km 거리에서 약 2.5일을 주기로 공전하고 있으며, 크기는 지름이 약 1,160km이다.천왕성의 모든 위성들 중에 가장 밝다.

움브리엘은 천왕성과 약 26만 6,000km 거리에서 약 4일을 주기로 공전하고 있으며, 크기는 지름이 약 1,170km이다. 이 위성은 천왕성의 다섯 위성들 중에 가장 오래되고 어둡다. 표면에는 거대하고 오래된 크레이터들을 가지고 있다.

티타니아는 천왕성과 약 43만 6,000km 거리에서 약 8.7일을 주기로 공전을 하고 있다.지름이 1,580km로다섯 위성들 중에서 가장크다.

가장 멀리 떨어진 오베론은 천왕성과 약 58만 3,000km 거리에서 약 13.5일을 주기로 공전한다.지름이 약 1,520km이며, 오래된 크레이터들이 많이 존재한다.

보이저 2호가보여준 천왕성의 새로운 모습

보이저 2호는 천왕성에 대한 많은 궁금증을 풀어주었다.

1977년 발사된 보이저(Voyager) 2호는 약 10년 뒤, 1986년 1월 24일에 천왕성의 약 81,500km 거리에까지 다가갈 수 있었다. 보이저 2호는 천왕성에 접근해 많은 사진들을 보내왔다. 이 사진들의 해상도는 지상에서 관측한 것보다 300배 이상 뛰어났고, 수많은 위성과 고리들의 모습이 담겨 있었다. 이는 우리 인간이 천왕성의 발견 시점으로부터 약 200년 동안 알아낸 정보보다 더 많은 정보였다.

이러한 정보로 우리는 천왕성의 숨겨진 위성들과 고리들을 발견하게 되었고, 대기 온도가 태양을 향하는 극지방보다 적도지방의 온도가 더 높다는 이상 현상과 천왕성의 자전축과 자기축이 다른 행성들과는 크게 차이가 난다는 새로운 사실들을 발견할 수 있었다.

신화 속 천왕성 이야기

천왕성을 상징하는 기호.

우라노스(Uranus), 천왕성은 근대 이후에 발견된 행성으로, 그때까지 사용되지 않은 신화 속 인물의 이름이 붙은 것이다. 즉, 천체의 겉모습이나 운행상의 특징으로 붙는 신의 이름과는 거리가 멀다.우라노스는 그리스 신화에서가져온 명칭이며주신 제우스의 할아버지에 해당하는 하늘의 신의 이름이다.크로노스(토성)가 아들인 제우스(목성)에게 쫓겨난 것처럼 우라노스 또한 아들인 크로노스(토성)의 아버지로서 쫓겨났다.

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출처: 학습용어 개념사전

 (태양계의 행성, 한국천문연구원)