해왕성

해왕성은 태양계 행성들 가운데 태양에서 가장 먼 거리에 있으며(2024년 3월 기준), 반지름 기준으로는 네 번째로 크고, 질량으로는 세 번째로 무거운 행성이다. 궤도장반경은 2,872.46x10⁶ km 이며, 다른 목성형행성들처럼 고리를 두르고 있지만 너무 얇아 지상 망원경으로는 볼 수 없다. 별이 해왕성의 고리에 가려지는 엄폐가 일어나 고리 자체의 존재가 알려졌으며, 이후 보이저 2호의 영상으로 다시 확인되었다.

그림 1. 보이저 2호 탐사선이 촬영한 해왕성의 전체 모습과 대흑점(출처: )

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해왕성은 다른 목성형행성들처럼 기체로 이뤄진 가스형 행성이며 고체 형태의 표면이 없기 때문에 크기를 나타낼 때 1기압인 지역을 크기를 재는 기준으로 삼는다. 이 기준을 적용하면 해왕성의 크기는 적도 반지름이 지구의 3.883배인 24,764km, 극 반지름은 지구의 3.829배인 24,341km로 천왕성에 비해 근소한 차이로 작다.

해왕성은 망원경의 도움 없이 볼 수 없는 유일한 행성(2024년 3월 기준)이다. 발견되기 이전에 이미 그 위치가 수학적으로 예측됐다. 해왕성에 대한 최초의 관측기록으로는 이탈리아의 천문학자 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei, 1564년 2월 15일~1642년 1월 8일)가 그의 망원경을 이용해 1612년 12월 28일부터 1613년 1월 27일까지 해왕성의 움직임을 기록한 자료가 남아 있다. 그러나 당시 갈릴레오는 해왕성을 항성으로 잘못 생각했기 때문에 또 다른 행성이라고 생각하지는 못했다.

프랑스의 천문학자 알레시 부바르(Alexis Boubard, 1767년 6월 27일 ~ 1848년 6월 7일)는 천왕성의 궤도가 예상과 다르게 변하는 것을 관측하고는 발견되지 않은 행성의 중력에 의해 섭동받고 있다고 추론하기도 했다. 그 후 프랑스 수학자인 위르뱅 르베리에(Urbain Jean Joseph Le Verrier, 1811년 3월 11일 ~ 1877년 9월 23일)가 해왕성 궤도를 계산으로 처음 예측했고, 1846년에 요한 고트프리트 갈레(Johann Gottfried Galle, 1812년 6월 9일 ~ 1910년 7월 10일)는 르베리에가 계산으로 예측한 해왕성의 위치를 이용해 그 범위 안에서 해왕성을 처음 관측했다.

해왕성 대기는 천왕성과 비슷한 성분으로 이뤄져 있으며, 기체로 되어 있기 때문에 1기압(1 bar)을 표면으로 보고 그 위는 대기로 간주한다. 해왕성 표면은 천왕성과 비슷해 보이지만, 실제로는 천왕성과 달리 기상현상이 활발하게 일어난다. 해왕성 대기에서는 빠른 바람의 움직임이 관측되며, 강력한 폭풍의 경우 풍속이 600m@@NAMATH_INLINE@@\,@@NAMATH_INLINE@@s^-1에 달하기도 한다. 대기에는 구름이 나타나는데, 구름의 운동을 바탕으로 측정한, 대기의 이동속도는 -20m@@NAMATH_INLINE@@\,@@NAMATH_INLINE@@s^-1 ~ 400m@@NAMATH_INLINE@@\,@@NAMATH_INLINE@@s^-1에 달한다(부호는 방향을 나타낸다). 특히 해왕성 표면에서는 ‘대흑점(또는 대암점, Great Dark Spot)'이라 불리는 대규모 폭풍지역과 그보다 작은 '흑점'들이 발견되곤 한다.

천왕성 표면에서는 기상현상이 비교적 덜 활발한데 비해 해왕성에서는 더 활발하게 나타난다. 과학자들은 해왕성 내부에서 생성되는 중력 에너지보다 열에너지가 훨씬 크다는 점이 그 원인 가운데 하나라고 보고 있다. 즉, 해왕성은 태양에서 가장 멀리 떨어져 있는 행성이지만 태양계에서 가장 강력한 바람을 유지할 수 있는, 내부 열 에너지가 큰 행성이기도 하다.

그림 2. 허블우주망원경으로 관측한 흑점. 최근에는 보이저2호가 관측한 대흑점은 보이지 않으나 새로운 작은 흑점(Dark Spot)과 동반 구름이 허블우주망원경에 포착됐다.(출처: )

해왕성은 기체로 이뤄진 행성으로 다른 목성형행성들과 구성 성분에 있어서는 차이를 보이지만, 구성 기체들은 종류가 비슷하다. 해왕성은 전체 성분의 약 80.0%가 수소이며, 약 19.0%는 헬륨, 메탄(CH@@NAMATH_INLINE@@_{4}@@NAMATH_INLINE@@)은 약 1.5%이다. 그 밖에 중수소 화합물(HD), 에탄(C@@NAMATH_INLINE@@_{2}@@NAMATH_INLINE@@H@@NAMATH_INLINE@@_{6}@@NAMATH_INLINE@@) 등이 소량으로 포함돼 있다. 또한 암모니아, 물, 황화수소 암모니아, 메탄과 같은 기체가 응결돼 얼음 형태의 입자(에어로졸)로 대기를 이루고 있다고 알려져 있다. 해왕성의 내부 압력은 최고 1000기압 이상이며, 1기압 위치에서는 온도가 약 72K(섭씨 영하 201도)로 낮다.

해왕성과 태양 사이의 거리는 천왕성과 태양 사이의 거리보다 1.5배나 더 멀기 때문에 해왕성은 천왕성이 받는 태양광의 40%밖에 받지 못하지만, 두 행성의 표면 온도는 서로 비슷하다. 보이저 탐사선의 적외선 분광탑재체(Infrared spectrometer and radiometer(IRIS)) 자료로 얻은 분석 결과에 따르면 내부의 중력에너지 때문에 해왕성은 태양에서 받는 에너지의 2.61 ± 0.28배를 방출한다.

해왕성의 위성은 2024년 3월 현재 기준으로 16개가 발견되었으며, 이중 14개에 공식 명칭이 붙여져 있다. 이들 중 트리톤(Triton)이 가장 크고 무거워 위성 전체 질량의 대부분(약 99.5%)을 차지한다. 그러나 해왕성의 달들은 해왕성의 크기에 비해 작다. 예를 들면, 위성들 가운데 가장 큰 트리톤도 크기가 달 정도에 불과하며, 두 번째로 큰 프로테우스는 직경이 최대 220km로 매우 작다. 트리톤은 지구와 달처럼 동주기 자전을 한다. 그것은 해왕성과 트리톤이 매우 가까이 있기 때문인데, 과학자들은 3억 6천만년 뒤 트리톤은 해왕성의 조석력으로 부숴질 것으로 예측한다.

지구 자기장의 축은 자전축에 대해 약 11도 정도 기울어져 있는데 비해, 해왕성의 자기장 축은 약 46.9도 기울어져 있다. 즉, 자전축을 기준으로 한 진북과 자기장 축을 기준으로 한 자북간의 차이가 해왕성은 46.9도로 지구에 비해서 매우 크다. 해왕성의 자기장은 표면(1기압)에서 약 0.1~0.9 Gauss 이며, 해왕성의 표면(1기압)에서 자기장의 세기는 0.142 Gauss이다.