천왕성(Uranus) - 태양계의 일곱번째 행성

0. 목차

1. '천왕성'의 기본 데이터
2. 청록색의 거대 얼음 행성 '천왕성'
3. 천왕성의 고리
4. 지금까지 천왕성에 근접한 우주선은 '보이저 2호' 뿐이다.
5. 천왕성의 위성

천왕성(Uranus)

1. '천왕성'의 기본 데이터

1. 궤도 반지름(천문단위 지구=1): 19.218
2. 공전 주기: 84.0223년
3. 자전 주기: 0.718일
4. 적도 반지름: 25559km (지구의 약 4.01배)
5. 질량: 86.833×10²⁴kg (지구의 약 14.54배)
6. 평균 밀도: 1270kg/m³
7. 적도 중력: 약 8.7m/s² (지구의 약 0.89배)
8. 위성 수: 27
9. 이심률: 0.0463
10. 궤도 경사각도: 0.773
11. 태양으로부터의 평균 거리: 약 28억 7503만 km (지구의 약 19.2184배)
12. 발견 시기: 1781년

2. 청록색의 거대 얼음 행성 '천왕성'

 '천왕성(Uranus)'은 거대 얼음 행성으로, 반지름이 약 25560km로 태양계의 행성 가운데 세 번째로 크다. 표면을 덮은 가스의 주성분은 수소와 '헬륨(He)'이며, 약간의 '메테인(CH₄)'과 '암모니아(NH₃)'도 포함되어 있다. 천왕성이 초록색으로 보이는 이유는, 메탄이 붉은 주황색 빛을 흡수하기 때문이다. 목성이나 토성과 마찬가지로, 천왕성도 동서 방향으로 강한 '제트 기류(jet stream)'가 흐르고 있다. 줄무늬도 있지만, 그다지 뚜렷하지는 않다.

 천왕성은 망원경을 통해 발견한 첫 번째 행성이다. 태양으로부터의 평균 거리는 28억 7500만km, 반지름은 2만 5559km, 공전 주기는 84.02년, 자전 주기는 17시간 14분이다. 그러나 모든 거대 가스 행성들의 상부에서는 자전 방향으로 심한 바람이 불기 때문에, 천왕성의 대기는 행성 자전 주기보다 빠르게 14시간도 안돼 천왕성을 자전한다.

2-1. 자전축이 옆으로 쓰러져 있다.

 천왕성의 자전축은 태양계 평면에 거의 누워 있다시피 해, 기울기가 약 98º 정도이다. 태양계 행성 중 유일하게 수평으로 누운 자전축이다. 이 때문에 극지점 부근은 낮과 밤이 바뀌는데 42년이 걸려, 하루가 지구 시간으로 84년이다. 결국 낮이 42년 계속된 다음, 어둠에 싸인 밤이 42년 계속되는 주기가 반복된다. 이 심한 기울기의 원인은 지금까지도 확실히 밝혀지지 않았다. 1986년 보이저 2호가 지나갈 즈음에는 천왕성의 남극 쪽은 태양을 직접 향하고 있었다.

 그러면 천왕성의 자전축은 왜 쓰러졌을까? 천왕성도 탄생 직후에는 다른 행성과 마찬가지로 자전축이 공전면에 대해 거의 수직인 상태였다고 생각된다. 하지만 그 후, 행성 정도의 크기의 천체가 천왕성의 중심에서 약간 떨어진 곳에 충돌하여, 자전축이 옆으로 쓰러진 것으로 보인다. 이 생각이 맞는지 틀렸는지는 앞으로의 조사 결과에 따라 밝혀질 것이다. 하지만 최근 연구에서, 초기 태양계에서 대규모 충돌은 그리 드문 현상이 아니었다는 점이 밝혀졌기 때문에, 지금으로써는 이것이 가장 유력한 설이다.

 게다가 천왕성은 자기장의 중심인 '자축(磁軸: 자석의 두 극을 연결하는 축)'은 옆으로 쓰러진 자전축으로부터 60° 기울어져 있으며 중심에서도 벗어나 있다.

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3. 천왕성의 고리

 천왕성에는 목성, 토성과 마찬가지로 고리가 있다. 천왕성을 관찰하기 시작한 천문학자들은 천왕성에 의해 다른 별이 가려지는 현상을 관찰하고 이상한 점을 발견했다. 천왕성에 완전히 가려지기 전에 별빛을 가리기 때문이 아닌가 생각했다. 그러나 곧 천왕성도 고리를 가지고 있어서 이 고리가 별빛을 가리기 때문이라는 사실을 알게 되었다.

 이들 고리도 천왕성의 자전 방향으로 돌고 있다. 천왕성의 고리는 물의 얼음과 메테인 얼음의 혼합물로 이루어져 있으며, 토성의 고리와 비교하면 매우 가늘고 어둡다. 현재까지의 관측에 의하면 천왕성의 고리는 13개의 서로 다른 고리로 되어 있고, 토성의 고리보다 훨씬 작고 얇은 것으로 밝혀졌다. 학자들은 이 고리가 천왕성 생성 당시에는 없었던 것으로 추정하고 있다. 천왕성의 고리가 어떤 물질로 이루어졌는지에 대해서는 아직 정설이 없다. 다만 토성의 고리를 이루는 알갱이들은 겉이 얼음으로 둘러싸여 이 얼음 표면이 빛을 반사해서 밝게 빛나는데 비해, 천왕성의 고리는 얼음으로 싸여 있지 않아 잘 보이지 않는다고 한다. 또 다른 이론에서는, 천왕성의 고리는 기체로 이루어져 있을 것이라고 주장하기도 한다.

 천왕성의 고리가 발견될 당시에는, 가는 고리가 안정적으로 존재할 수 있는 이유를 역학적으로 설명할 수가 없었다. 하지만 그 후의 관측으로 발견된 2개의 위성 '오필리아(Ophelia)'와 '코델리아(Cordelia)'가 가는 고리를 고정시키는 열쇠를 쥐고 있음이 밝혀졌다. 2개의 위성은 가장 바깥쪽 고리를 사이에 둔 형태로 존재한다. 고리의 바깥쪽을 도는 '오필리아'는 고리 입자를 안쪽으로 몰아가고, 고리 안쪽을 도는 코델리아는 반대로 고리 입자를 바깥쪽으로 밀어낸다는 사실이 밝혀졌다. 이 2개의 위성은 마치 양치기가 양들을 한 줄로 세워 몰고 가는 모습과 닮았다고 해서 '양치기 위성(Shepherd satellite)'이라고 한다. 양치기 위성의 효과에 의해 폭이 좁은 고리가 안정적으로 존재할 수 있게 된 것으로 보인다.

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4. 지금까지 천왕성에 근접한 우주선은 '보이저 2호' 뿐이다.

 지금까지 천왕성에 근접한 우주선은 1977년 8월 20일에 발사한 '보이저 2호(Voyager 2)'가 유일하다. 보이저 2호는 1986년 1월 24일 천왕성에서 8만 1500km 떨어진 지점을 통과하면서 '대기 구조'와 '화학 성분'을 분석하고, 이전까지 관측되지 않았던 위성들과 꼬리들을 발견했다.

5. 천왕성의 위성

 천왕성의 위성은 태양에서 멀기 때문에 얼음이 주성분인 위성이 많다. 또 천왕성의 자전축은 공전면의 수직축에 대해 옆으로 크게 기울어진 상태로 되어 있다. 위성들도 천왕성을 따라, 옆으로 기운 천왕성의 적도면을 따라 돌고 있다.

 2022년 기준, 천왕성의 위성은 27개가 발견되었다. '천왕성의 5대 위성'은 '티타니아(Titania)', '오베론(Oberon)', '아리엘(Ariel)', '움브리엘(Umbriel)', '미란다(Miranda)'로, 토성의 가장 큰 위성들이다. 나머지 위성은 지름 200km 이하의 작은 것들이다. 그중 '티타니아(Titania)'와 '오베론(Oberon)'은 1787년에 '윌리엄 허셜(William Herschel)'이 발견했다.

5-1. 티타니아(Titania)

1. 발견 연도: 1787년
2. 지름: 약 1578km
3. 천왕성으로부터의 거리: 약 44만km

 '오베론(Oberon)'은 독일 출생의 영국 천문학자 '윌리엄 허셜(Friedirich William Herschel)'에 의해 1787년에 발견되었다. '윌리엄 셰익스피어(William Shakespeare, 1564~1616)'의 작품인 '한여름밤의 꿈'의 등장인물에서 이름을 따왔다.

 '티타니아(Titania)'는 거대한 협곡을 가진 천왕성 최대의 위성이다. 적도 부근에 '메시나 협곡'이라고 불리는 거대한 협곡이 있다. 표면은 짙은 색의 암석과 얼음의 혼합물로 덮여 있으며, 충돌의 흔적인 움푹패인 '화구(Crater)'가 많다. 중앙 부분에는 길이 1600km 정도 되는 커다란 단층 계곡이 있어, 충돌의 흔적과 지질활동의 흔적을 찾아볼 수 있다.

보이저 2호가 찍은 '티타니아(Titania)'

5-2. 오베론(Oberon)

1. 발견 연도: 1787년
2. 지름: 약 1522km
3. 천왕성으로부터의 거리: 약 58만km

 '오베론(Oberon)'은 독일 출생의 영국 천문학자 '허셜(Friedirich William Herschel)'에 의해 1787년에 발견되었다. '윌리엄 셰익스피어(William Shakespeare)'의 희곡 '한여름 밤의 꿈'에 등장하는 요정의 왕 '오베론'에 연유하여 이름을 붙였다. 위성 '오베론'의 표면에는 '크레이터(Crater)'가 있으며, 얼음과 메탄, 암석으로 이루어져 있다.

보이저 2호가 찍은 '오베론(Oberon)'

5-3. 아리엘(Ariel)

1. 발견 연도: 1851년
2. 지름: 약 1158km
3. 천왕성으로부터의 거리: 약 19만km

 '아리엘(Ariel)'은 천문학자 '윌리엄 러셀(William Lassell, 1799~1880)'에 의해 1851년에 발견되었다. 셰익스피어의 작품 '템페스트(Tempest)'에 등장하는 정령의 이름에 유래하여 명명되었다.

 아리엘은 천왕성의 위성 중에서 가장 빛을 잘 반사해서, 밝게 보인다 광범위하게 새겨진 깊은 협곡이 많이 보이는 한편, 화구는 그렇게 많지 않다.

보이저 2호가 찍은 '아리엘(Ariel)'

5-4. 움브리엘(Umbriel)

1. 발견 연도: 1851년
2. 지름: 약 1170km
3. 천왕성으로부터의 거리: 약 27만km

 '움브리엘(Umbriel)'은 1851년 천문학자 '윌리엄 러셀(William Lassell, 1799~1880)'이 발견한 천왕성의 위성이다. 움브리엘이라는 이름은 '알렉산더 포프(Alexander Pope, 1688~1744)'의 작품 '머리카락을 훔친 자(The Rape of the Lock)'의 등장인물에서 유래되었다.

 표면은 얼음과 암석의 혼합물로 덮여있고, 운석과의 충돌 흔적인 크고 오래된 '화구(Crater)'가 있다. 움브리엘은 '천왕성의 5대 위성' 가운데 가장 어두워 크기가 비슷한 '아리엘(Ariel)'보다 밝기가 절반 정도에 불과하다.

보이저 2호가 찍은 '움브리엘(Umbriel)'

5-5. 미란다(Miranda)

1. 발견 연도: 1948년
2. 지름: 약 472km
3. 천왕성으로부터의 거리: 약 13만km

 '미란다(Miranda)'는 1948년에 네덜란드 출신의 미국 천문학자 '제러드 피터 카이퍼(Gerard Peter Kuiper, 1905~1973)'가 발견한 천왕성의 위성이다.

 '미란다(Miranda)'는 천왕성의 위성 중에서도 특히 주목받고 있다. 이 위성의 표면에는 마치 무엇인가에 긁힌듯한 거대한 지형과 깊이 20km에 이르는 도랑이 있다. 이런 지형은 과거에 미란다가 파괴된 후에 다시 합쳐지는 과정을 몇 차례 반복했다는 설도 있지만, 그 원인이 확실히 밝혀진 것은 아니다.

해왕성의 위성 '미란다(miranda)'

5-6. 그 외의 위성

1. 코델리아(Cordelia)
2. 오펠리아(Ophelia)
3. 비앙카(Bianca)
4. 크레시다(Cressida)
5. 데스데모나(Desdemona)
6. 줄리엣(Juliet)
7. 포르티아(Portia)
8. 로살린드(Rosalind)
9. 큐피드(Cupid)
10. 벨린다(Belinda)
11. 페르디타Perdita)
12. 퍽(Puck)
13. 마브(Mab)
14. 프란시스코(Prospero)
15. 칼리반(Caliban)
16. 스테파노(Stephano)
17. 트린쿨로(Trinculo)
18. 시코락스(Sycorax)
19. 마가렛(Margaret)
20. 프로스페로(Prospero)
21. 세테보스(Setebos)
22. 페르디난드(Ferdinand)