천왕성

천왕성(Uranus)은 태양계 행성 가운데 태양으로부터 7 번째로 가까운 거리에 있으며, 반지름 기준으로 세 번째로 크다. 천왕성은 영국의 천문학자 허셜(Frederick William Herschel)에 의해 1781년 3월 13일에 발견되었다. 천왕성의 궤도 장반경은 19.201 AU(천문단위)이다. 반지름으로는 태양계에서 세 번째로 크지만, 질량으로는 네 번째로 무거운 행성이다. 다른 목성형 행성들처럼 고리를 갖고 있지만 너무 얇고 가늘어 지구 상에 있는 가장 큰 천체망원경으로도 확인하기가 어렵다. 천왕성의 자전축은 황극과 약 98도를 이루고 있어 자전주기를 음수로 표시한다. 즉, 자전축이 누워 있기 때문에 지구에서 볼 때 마치 남북극 방향으로 고리를 두르고 있는 것처럼 보인다.

목차

천왕성은 다른 목성형 행성과 마찬가지로 기체로 이루어진 가스형 행성으로 고체 형태의 표면이 없어 크기에 대해 말할 때 1기압인 지역을 기준으로 삼는다. 이러한 기준으로 정한 천왕성의 크기는 적도 반지름으로 지구의 약 4.007 배인 25,559 km 이며, 극 반지름으로 지구의 3.929 배인 24,973 km 이다. 표 1에 천왕성의 여러 물리량 값들이 있다.

천왕성의 자전축은 공전궤도면에 대해 98° 기울어져 있기 때문에 누워있다고 표현을 하는 것이 적합하다. 자전축이 90° 이상 누운 경우 자전주기를 표기할 때 음(-)의 부호를 붙인다. 이 때문에 다른 행성들과 달리 양 극지방이 적도지방보다 많은 양의 태양 복사에너지를 받아 온도가 더 높다. 천왕성의 북극과 남극은 전체 공전주기 중의 1/4에 해당하는, 지구 시간으로 약 20년 동안 태양 빛을 받는다. 따라서 천왕성에서 한 계절은 공전주기의 1/4에 해당하는, 약 20년 동안 지속되며, 태양빛을 받는 기간이 여름에 해당된다. 지난 2007년 12월 부터 2028년까지 천왕성의 북반구는 태양빛을 쬐는 여름에 해당한다.

천왕성의 자전축이 기울어진 원인에 대해서 명확하게 밝혀진 바는 없지만, 태양계 생성 초기에 천왕성이 지구 크기만 한 원시행성과 충돌한 결과일 거라고 추측하고 있다 그러나 이러한 추측에 대해 지구 크기에 달하는 원시 행성이 충돌했다면 충돌 후 남은 물질들 중 일부가 모여 천왕성의 위성으로 다시 형성되어야 했다. 실제로 천왕성의 위성들은 이러한 충돌 잔해물로 형성되었다고 보기에는 너무 작다. 이 때문에 지구 크기의 천체가 충돌했다는 증거로는 턱없이 부족하다는 의견도 있다. 또 다른 해석으로, 토성과 해왕성의 중력에 의해 궤도와 기울기가 변했을 가능성도 일부에서 제기되고 있다.

그림 1. 천왕성의 계절변화(출처: )

기체로 이루어진 목성형 행성들 가운데 하나인 천왕성은 다른 목성형 행성들과 비슷한 구성성분을 보이지만 성분 비에 있어서는 차이가 있다. 천왕성은 다른 목성형 행성들처럼 기체로 이뤄졌기 때문에 1기압(1bar)인 곳을 표면으로 보고 그 위를 대기로 간주한다. 천왕성의 대기의 구성성분은 전체의 약 82.5%가 수소이며, 약 15.2%는 헬륨, 그리고 메탄이 약 2.3%로써 목성형 행성들중 메탄 비율이 가장 높다. 수소, 헬륨, 메탄 이외에 중수소 화합물, 암모니아 등이 소량으로 구성되어 있다. 천왕성 대기는 암모니아, 물, 황화수소 암모니아, 메탄 등이 응결되어 얼음형태의 입자(에어로졸)로 대기를 이룬다고 알려져 있다.

표준 모형에 따르면 천왕성의 내부구조는 암석질의 중심핵, 얼음 형태의 맨틀, 수소, 헬륨, 메탄 등으로 이루어진 기체 층으로 나뉜다. 이들 중 중심핵의 질량은 지구의 0.55배이고 반지름은 천왕성 크기의 20퍼센트 정도에 달해 상대적으로 크기가 작다. 그러나 맨틀은 천왕성 부피의 대부분을 차지하고, 질량도 지구의 13.4배 정도에 해당한다. 가장 바깥 쪽의 기체층은 질량이 지구의 0.5배 정도이며, 두께도 천왕성 반지름의 약 20퍼센트에 불과하다. 천왕성은 토성이나 목성과 달리 내부에서 발생하는 열에너지가 태양으로 부터 받는 에너지에 비해 크지 않기 때문에 대류가 거의 일어나지 않지만, 허블우주망원경, Keck 천문대의 관측 등으로 표면의 구름과 검은점(Dark spot) 형태의 폭풍지역이 관측되기도 하였다.

천왕성의 내부 압력은 최고 1000기압 이상이며 1기압 위치에서는 온도가 약 76K(섭씨 영하 197도)이다.

그림 2. 천왕성 표면에 나타난 폭풍지역(Dark Spot)(출처: )

천왕성의 위성은 2024년 3월 현재 기준으로 28개가 발견되었고, 이 중 27개에 공식 이름이 붙여졌다. 주요 위성으로는 미란다(Miranda), 아리엘(Ariel), 엄브리엘(Umbriel), 타이타니아(Titania), 오베론(Oberon)이 있다. 이들 다섯 개의 위성 중 타이타니아와 오베론은 1787년 허셜(William Herschel)이 최초로 발견했다. 아리엘과 엄브리엘은 1851년 영국의 천문학자 라셀(William Lassell)이, 미란다(Miranda)는 1948년 미국의 천문학자 카이퍼(Gerard Kuiper)가 발견했다. 이들 중 가장 큰 위성은 타이타니아이지만, 다른 목성형 행성들의 위성에 비해 크기가 작아 가장 큰 타이타니아의 경우에도 반지름이 788.9km로 달 반지름의 절반에 불과하다. 천왕성의 위성들의 구성 성분의 대략 절반정도는 암모니아와 이산화탄소로 추정되는 물질이 응결된 얼음으로, 나머지는 암석(석질)로 이루어져 있다.

천왕성의 고리는 안쪽고리와 바깥쪽 고리로 구분하며, 안쪽 고리는 11개, 바깥쪽 고리는 2개로 나누어진다고 현재 알려져 있다. 고리의 존재에 대해서는 1789년 윌리엄 허셜이 관측한 적이 있으나, 당시에는 고리에 대한 확신이 없었다. 천왕성 고리의 발견이 확인된 것은 1977년이며 이는 태양계의 행성 중 두 번째로 발견된 고리이다. 천왕성의 고리는 천왕성과 함께 만들어지지 않았으며, 비교적 오래 되지 않은 시기에 생성되었을 것으로 추측된다. 이는 고리를 이루는 물질이 외부에서 유입된 물질과의 충돌이나 조석력 의해 부서진 위성으로부터 기원하는 것으로 생각되기 때문이다.

그림 3. 1986년 보이저 2호가 촬영한 천왕성의 위성과 고리. 촬영한지 13년이 지난 1999년에 허블우주망원경으로 관측한 천왕성 영상과 비교하는 과정에서 18번째 천왕성의 위성(우측 상단에 십자표시 가운데)이 발견되었다. ()

지구의 자기장 축은 자전축에 대해 약 11° 정도 기울어져 있는데 비해, 천왕성의 자기장 축은 약 58.6도 기울어져 있기 때문에 천왕성에서는 나침반으로는 북극(진북) 근처도 찾아갈 수 없다. 천왕성의 자기장은 표면(1기압)에서 약 0.1~1.0 Gauss일 것으로 추정하고 있다.