천왕성 우라노스:태양계 일곱번째 얼음행성, 고리행성, 누운행성

이번엔 태양계의 일곱 번째

행성인 천왕성에 대하여 알아

보도록 하겠습니다.

 

1.   천왕성은 무엇인가요?

 

천왕성은 태양계의 일곱 번째 행성으로 목성형 행성 중에 하나 입니다.

핵은 얼음이고, 지표는 액체 메탄, 대기는 수소와 헬륨으로 이루어져있습니다.

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2. 천왕성의 특성

1) 천왕성의 외관

 

해왕성과 매우 닮은 행성으로 사실상 쌍둥이라고 봐도 좋을 정도입니다.

사진으로는 정말 아름다운 푸른 진주처럼 보입니다.

 

2) 천왕성의 온도

 

평균기온은  -218℃으로 얼어 있는 상태입니다.

 

3) 천왕성의 크기

지구보다 63배 크고(부피) 15배가량 무거운 중량급 행성으로, 고리와 거대 위성들이라는 목성형 행성의 특징을 모두 가지고 있습니다.

 

4) 천왕성의 분류

 

정확히는 얼음이 주성분으로 해왕성과 함께 거대 얼음 행성(Ice giant)으로 분류됩니다.

단 밀도는 1.27로 해왕성보다 낮으며 토성 다음으로 가볍습니다.

5) 천왕성의 밝기

천왕성의 겉보기 등급은 5.8로 인간이 육안으로 확인할 수 있는 최소등급인 6에 근접합니다. 그로인해 오래 전부터 희미하게 볼 수는 있었으나, 망원경 발명 된 후에야 태양을 공전하는 행성 중 하나라는 사실이 확인 되었습니다.

6) 자전축과 공전축

 

천왕성은 태양계의 행성들 중 유일하게 옆으로 누워서 자전을 합니다.

지구의 자전축은 공전축에 대해 약 23.5° 기울어져 있는데, 천왕성은 약 97.77°나 기울어져 있습니다.

 

대부분의 행성들은 공전축과 자전축이 이루는 각이 크지 않아 팽이가 돌아가듯 자전하는데, 천왕성은 자전축이 공전면에 거의 붙어 있어 공이 구르듯 자전합니다. 정상적으로 찍은 사진을 눕혀놓은 것같이 보이는 것이 천왕성이 자전하는 모습의 특징입니다.

 

 금성의 자전 방향이 다른 행성들과는 완전히 반대인 것과 더불어 태양계에서 특이한 자전을 하는 행성 중 하나입니다.

왜 이렇게 자전축이 기울었을까에 의견이 분분합니다. 행성이 충돌했다는 설이 한때 가장 유력했지만, 자전축을 기울여놓을 만큼의 빠르고 질량이 큰 지구만 한 행성이 충돌했을 리가 없다고도 보고 있습니다.

또는 안팎으로 질량이 큰 행성들이 산재해 있다보니 중간에 끼어서 그렇다고도 추측해 봅니다.

한 가지 덧붙여서 "천왕성은 누워서 자전하므로 밤이 42년, 낮이 42년이다"라고 오해하기 쉽지만, 극지방이 태양을 바라보는 경우만 하루 종일 밤, 또는 낮이지, 적도가 태양을 바라보는 경우에는 자전주기 반만큼은 밤이고, 나머지는 낮입니다. 자전축이 누워서 백야가 일어나는 북극권, 남극권의 경계가 적도까지 내려왔다고 생각하면 된다.

 

7) 천왕성의 자전과 공전, 중력

천왕성일(자전)은 지구기준으로 17시간 14분이고, 1 천왕성년(공전)은 지구기준 84년입니다. 의외로 큰 덩치에 비해 중력은 지구의 88%로 지구에서 체중이 100kg인 사람이 천왕성에 가면 88kg가 됩니다.

 

8) 천왕성의 자기장

자기장도 매우 특이합니다. 지구, 목성, 토성 등과는 달리 천왕성과 해왕성의 자기장은 자전축과 너무나 동떨어진 분포를 보입니다.

 

9) 천왕성의 고리

태양계 내에서 토성 다음으로 크고 복잡한 고리를 가지고 있으나 반사율이 낮고 거리가 멀기 때문에 육안으로 관측이 불가능합니다. 목성, 해왕성의 고리는 먼지가 대부분이라 낮은 반사율이 충분히 설명되지만 천왕성은 고리에 먼지가 거의 존재하지 않음에도 반사율이 낮아 얼음에 무언가 섞여있을 것으로 추측됩니다.

앞서 말한 대로 천왕성의 질량은 지구의 15배나 되지만, 행성 표면에서의 중력은 약 0.9 G로 오히려 지구보다 살짝 낮습니다. 이는 천왕성의 직경이 지구의 4배가 넘지만 직경 대비 질량이 상대적으로 가볍기 때문입니다.

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2.   천왕성의 발견

 

일단 천왕성은 오래 전 맨눈으로도 관찰 가능한 천체였기 때문에 인도 등지에서는 마하바라타에 등장하는 단어인 shwet란 단어가 이 천왕성을 상징한다고 하는데 나머지 항목은 서양 위주로 서술되어있습니다.

1)    가장 오래된 천왕성의 관측

천왕성을 관측한 가장 오래된 기록을 영국의 천문학자 존 플램스티드가 작성한 플램스티드 항성 목록입니다. 플램스티드 항성 목록에는 황소자리 34번 별이 있는데 훗날 밝혀진 바에 따르면 이 별이 사실은 천왕성이었습니다. 1690년에 플램스티드는 천왕성을 관측했는데 이것을 항성으로 착각하고 기록한 것입니다. 플램스티드 이후로도 천왕성을 관측한 천문학자들이 일부 있지만 이들은 이 천체가 행성이라는 사실을 밝혀내지 못했기 때문에 천왕성의 발견자로 간주되지는 않습니다.

1781년 3월 13일, 프레드릭 윌리엄 허셜(Frederick William Herschel, 1738~1822)이 처음 발견한 것으로 알려져 있었으나, 세월이 지나서 그와 누이동생인 캐롤라인 허셜(Caroline Herschel, 1750~1848)과 같이 발견했다는 게 드러났습니다. 캐롤라인 또한 뛰어난 천문학자였음에도 인정을 받지 못하고, 오빠인 윌리엄에게 천왕성 발견자라는 영광이 돌아갔던 것이었으나 윌리엄 본인은 누이동생 캐롤라인과 공동연구로 발견했다고 처음부터 죽을 때까지 사실대로 말하고 다녔지만 사람들이 받아 들이지 않았던 것으로 보입니다.

독일계 영국인이던 이 남매는 영국에서 가난 속에 어렵게 살면서도 돈을 모아 망원경을 사고 손수 렌즈를 갈아 가면서 연구하던 중, 천왕성의 발견으로 일약 스타가 되었습니다. 윌리엄은 나이 40대 후반에 뒤늦게 결혼도 하여, 아들인 존을 50대에 가서야 얻게 되었다.

한편 캐롤라인은 윌리엄이 죽고 난 후에도 천문학 연구를 계속하면서 새로운 혜성, 소행성들을 발견했으며, 나이 78살이 된 1828년에야 영국 왕실 훈장을 받았고 역사상 처음으로 왕실천문학회 여성회원이 되었으며 조국인 프로이센 왕실에서도 1834년 훈장을 받고 왕실천문학회 회원이 되었기에 늦긴 했어도 살아있을 때 이 모든 영예를 조금이라도 누릴 수 있게 되었습니다.

캐롤라인 허셜은 1788년 허셜-리골레트 혜성 (35P/Herschel–Rigollet)을 발견하여 천문학 역사상 처음으로 혜성을 발견해 이름을 남긴 여성 발견자이기도 합니다. 당시에는 이 혜성 발견을 인정받지 못하다가 무려 150여 년이 지난 1939년에서야 이 혜성이 지구로 오면서 재발견한 프랑스 천문학자 로제 리골레트의 성을 따서 이 이름이 된 것입니다.

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4.   천왕성의 관측

 

천왕성은 앞에서 말했듯 맨눈으로도 보입니다. 5~6등급 안팍의 밝기를 유지하며 어두운 곳이라면 맨눈으로도 간신히 볼 수 있습니다.. 쌍안경이 있다면 도심에서도 관측이 가능할 정도입니다. 참고로 위는 서양 위주의 서술이지만 맨눈으로도 관찰할 수 있다는 데서도 알 수 있듯이 힌두 신화에서는 마하바라타에서 shwet란 단어가 이를 상징한다는 추정이 있습니다. 즉 다시 말해 인도에서는 이미 천왕성의 존재에 대해서도 알고 있었을 수 있습니다.

천왕성을 찾고 싶다면 어두운 장소에서 황도를 따라가면서 관찰하면 됩니다. 황도에서 성표에 없는 어두운 별을 발견하면 그게 바로 천왕성입니다.

그럼에도 불구하고 천왕성이 1781년에서야 발견된 것은 상당히 밝게 보이는 다른 행성들과 달리 어두워서 눈에 잘 띄지 않는 데다가 천구상에서 이동하는 속도가 아주 느리기 때문입니다. 특히 관측하기 좋은 시기에는 역행하기 때문에 더욱 느리게 운동했습니다.

한편, 취미로 천체 관측하는 사람들 사이에서는 별로 인기가 없다고 합니다. 목성은 위성을 볼 수 있고 토성은 고리가 매우 인상적인데다 해왕성은 기상현상이 활발한데 천왕성은 망원경으로 들여다봐도 별 특징 없이 밋밋하고 지루해서 그런 듯 합니다.

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5.   천왕성의 위치에 대한 이론

 

현 태양계 진화론에 따르면 지금 천왕성과 해왕성이 있는 영역은 태양계 형성 당시 성운 가스의 밀도가 빠르게 희박해져 중형 가스형 행성이 나오긴 어렵다고 합니다. 그래서 천왕성과 해왕성이 원래는 목성과 토성 궤도 바깥 가까이에 있다가 행성 간의 섭동을 거쳐 현재 위치로 옮겼다는 설이 있습니다. 이 설에 덧붙이면 천왕성-해왕성이 아니라 당시엔 해왕성-천왕성이었다고 합니다.

아무튼 천왕성과 해왕성은 수많은 시간에 걸쳐 현 위치로 왔고 이 일 때문에 천왕성의 지축이 크게 기울었을 수도 있다고 예측하기도 합니다..

이 이론을 정설로 받아들이는 까닭이 하나 더 있는데, 명왕성 등 해왕성 밖 천체 및 물질 분포를 설명할 수 있기 때문입니다.

 

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6.   천왕성의 기상현상

 

천왕성의 표면은 겉으로 보기에는 너무 휑해서 아무 것도 보이지 않습니다. 상대적으로 기상현상이 거의 일어나지 않아서 천문학자들은 이걸 보고 난 뒤 너무 밋밋하다고 평했고 일반인들의 관찰에서도 외면 당했습니다.

목성, 토성, 해왕성은 겉보기에도 구름이 이동하고 바람이 부는 등의 기상현상이 있지만 천왕성에서는 거의 보이질 않습니다. 그 때문에 별로 할 말이 없다보니 어딜가나 문서 내용도 가장 짧습니다.

물론 기상현상이 아예 없는 게 절대로 아닙니다. 다른 기체 행성들만큼 활발하게 보이지 않을 뿐 천왕성에서도 기본적으로 14시간에 천왕성을 한 바퀴를 도는 강한 폭풍이나 날씨 정도는 발생합니다.

 

행성 표면이 어떤지는 불명이지만 고체와 액체 형태가 뒤섞인 슬러시 형태의 메테인으로 이뤄진 바다가 끝없이 펼쳐져 있을 것이라 예상됩니다. 태양으로부터의 거리가 멀어서 행성 내부에선 햇빛을 전혀 관측할 수 없는 완벽에 가까운 암흑인 것으로 보이지만, 그 속에서 거대하게 출렁이는 메테인 바다가 펼쳐진 망망대해 속에 초속 수백 미터 이상의 태풍과 번개가 끊임없이 치고 있습니다.

 

 단, 해왕성과는 다르게 대기압이 지구와 비슷할 정도로 낮은 편입니다. 그래도 인간입장에서는 태양계에 있는 다른행성들처럼 끔찍한 환경이라는 점을 예상할 수 있습니다. 게다가 지구에서는 기체로 있던 물체들이 이곳에서는 수소나 헬륨을 제외한 거의 모든 기체들이 액화되거나 얼어붙으며, 평균온도나 대기, 행성표면의 구성성분 등 가스 행성의 특성상 상륙할 육지 따윈 없을 것입니다.

 

이는 인간에게는 상당히 공포스러운 광경입니다. 물론 실제로 도달한다고 가정하면 대기와의 마찰열이 생길 가능성까지 고려해서 액체나 고체로 된 대기 혹은 표면이 기화할 가능성이 높아 상륙이나 항해는 고사하고 대기에 근접하는 순간 무지막지한 풍속, 온도로 인해 순식간에 얼어붙은 채로 천왕성의 대기를 표류하게 될 것입니다. 상상해 보면 정말 지옥과 다름이 없지 않을까요? 해왕성은 이보다 않좋은 환경임에 틀림 없을 테지만요.

다만, 2005년 측정에서 갑작스럽게 기상현상이 급증하여 많은 천문학자들이 놀라워했으며, 왜 이렇게 당시에 기상현상이 활발했는지는 아직 밝혀지지 않았습니다. 당시 측정된 풍속은 824km/h이며, 불꽃놀이 수준의 뇌우가 관찰되었습니다. 목성, 토성, 해왕성에 비해 기상현상이 활발하지 않은 것일 뿐 기상현상이 관측되기만 하면 수백 km/h는 가볍게 넘어가니 결코 만만한 수준은 아닙니다.

2014년 다시 기상현상이 관측되었는데 반경 9000km에 걸친 강력한 폭풍이 감지되었습니다. 천문학자들은 천왕성의 공전주기의 절반인 42년마다 에너지가 적도에 집중되는데, 이 때문에 갑작스럽게 기상현상이 나타났을 것이라고 예상하고 있습니다.

 

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7.   천왕성의 이름

 

이전의 포스팅에서 보듯이 수성, 금성, 화성, 목성, 토성은 이미 고대 시절부터 알려진 행성들이고, 그래서 유럽에서 이 행성들의 이름은 그리스 로마 신화의 신으로부터 이름을 땄습니다. 천왕성(Uranus)도 이러한 관례에 따라 이름이 붙여진 것이지만, 천왕성이 이름을 받을 당시에는 과학과 계몽주의가 대두하던 시대로, 그리스 로마 신화의 신이 아닌 다른 이름이 붙었을 수도 있었는데요.

이 행성의 발견자인 프레드릭 윌리엄 허셜은 계몽주의 시대에 신화의 신 이름을 붙이는 것은 구시대적이라고 생각했기 때문에 본래 그리스 로마 신화의 신의 이름을 붙이고 싶지 않아했고 그는 이 행성의 이름으로 당시 영국의 왕 조지 3세에서 따온 게오르기움 시두스(Georgium Sidus, '조지의 행성'이라는 의미)를 발표했으나 게오르기움 시두스라는 이름은 타국 천문학자들의 반발을 일으켰고, 그래서 이 이름은 영국 외에는 널리 사용되지 못했습니다.

 

대신 프랑스의 천문학자 조제프 제롬 랄랑드(Joseph-Jérôme Lefrançais de Lalande)는 발견자의 이름을 따 '허셜'이라는 이름을 제안했고, 영국 밖에서는 이 이름이 널리 쓰였습니다.

천왕성, 즉 우라노스 (Uranus)라는 이름을 제안한 것은 18세기 독일의 천문학자 요한 엘레르트 보데 (Johann Elert Bode)입니다. 그는 다른 행성들의 이름에 비해 튀어 보이는 것을 막기 위해 이 새로운 행성에 그리스 로마 신화의 신 이름을 쓰는 것이 적당하다고 주장했고, 목성의 이름의 유래인 제우스(유피테르)가 목성 바로 바깥의 행성인 토성의 이름의 유래인 크로노스 (사투르누스)의 아들이듯이, 천왕성은 토성의 바로 바깥에 있으므로 크로노스의 아버지인 우라노스의 이름을 따는 것이 적절하다고 주장했습니다. 이 주장은 유럽 천문학자들의 공감을 얻어서, 18세기 후반 들어 유럽 대륙에서는 이 행성을 우라노스라 칭했고, 영국에서도 19세기 중반에 들어서면 이 행성을 우라노스라 칭하는 것이 대세가 되었습니다.

로마 신화에서 우라노스에 대응되는 신은 '카일루스'(Caelus)이지만 다른 행성이 로마 신화의 신의 이름(유피테르, 메르쿠리우스 등)을 쓰는 데 비해 천왕성은 그리스 신화의 신 이름을 그대로 쓰는 게 특징인데, 이는 라틴어 문헌에서도 Caelus라는 표기보다는 그리스어에서 직수입한 Uranus라는 표기가 더 많이 보였기 때문입니다.

 

물론 로마 신화에서 카일루스의 이야기들은 우라노스의 이야기에서 따간 것이 맞고 어원에서도 유사성이 높지만 로마인들은 카일루스와 우라노스를 동일시하지 않는 경향이 강했고, 그래서 그리스 신화의 신을 이를 때에는 우라누스라는 표기를 사용했다.

이 행성은 영어로도 Uranus라고 합니다. 그러나 읽을 때는 유레이너스 라고 읽는데, 천문학계에서는 Urinus(유리너스)라고 하기도 하는데, 여러모로 영어와는 상성이 좋지 못한 명칭. 일부 사람들은 라틴어식 발음법인 우라누스 정도로 읽습니다.

 

다른 행성과 달리 혼자만 그리스신화의 신 이름에서 따갔기 때문에 영미권 인터넷에서는 이상한 발음법과 겹쳐 "왜 얘는 카일루스가 아니고 우라노스냐?", "우라노스 대신 카일루스로 불러야 한다"라는 의견을 자주 나오고 있습니다.

한자문화권에서의 이름 천왕성은 중국에서 우라노스가 하늘의 신이므로 천왕 (天王)이라 번역한 것에서 유래했습니다. 해왕성도 마찬가지입니다.

 

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8.   천왕성의 위성

 

천왕성은 27개나 되는 위성을 거느리고 있습니다.

 

천왕성의 위성은 천문학 강국인 영국의 작가 윌리엄 셰익스피어 작품의 등장인물의 이름을 빌리기로 하였습니다. 예외가 있다면 벨린다와 움브리엘은 알렉산더 포프(Alexander Pope)의 시에 등장하는 인물입니다.

이하 위성들은 천왕성과의 거리 및 공전주기 순으로 나열하였습니다.

1) 코델리아 Cordelia - 리어왕 (셰익스피어)

2) 오필리아 / 오필리어 Ophelia - 햄릿 (셰익스피어)

3) 비안카 / 비앙카 Bianca – 말광량이 길들이기(셰익스피어)

4) 크레시다 Cressida - 트로일로스와 크레시다 Troilus and Cressida (셰익스피어)

5) 데스데모나 Desdemona - 오셀로 Othello (셰익스피어)

6) 줄리엣 Juliet – 로미오와 줄리엣 (셰익스피어)

7) 포샤 Portia – 베니스의 상인 (셰익스피어)

8) 로잘린드 Rosalind - 뜻대로 하세요 As You Like It (셰익스피어)

9) 큐피드 / 큐핏 Cupid - 흔히 알려진 사랑의 신이자 셰익스피어의 작품 아테네의 타이몬 Timon of Athens의 등장캐릭 (작품속 가면극에 등장)

10) 벨린다 Belinda - 알렉산더 포프의 시에 등장

11) 퍼디타 Perdita - 겨울 이야기 The Winter's Tale (셰익스피어)

12) 퍽 / 퍼크 Puck – 한 여름밤의 꿈 (셰익스피어)

13) 매브 Mab – 로미오와 줄리엣 (셰익스피어)

14) 미란다 Miranda - 템페스트 The Tempest (셰익스피어)

미란다는 가장 유명한 위성 중 하나입니다. 지름은 480km로 위성 표면에 엄청난 지각변동의 흔적이 남아있기 때문입니다.. 태양계에서 가장 큰 절벽이 미란다에 있습니다.

15번 아리엘부터 18번 오베론까지는 크기가 크고 20세기 이전에 발견한 위성입니다. 미란다는 1948년, 그 외 작은 위성들은 1986년 보이저 탐사선이 지나간 뒤부터 발견했습니다.

15) 아리엘 / 에어리얼 Ariel - 템페스트 (셰익스피어), 알렉산더 포프의 시에도 등장

16) 움브리엘 Umbriel - 알렉산더 포프의 시에 등장

17) 티타니아 / 타이타니아 Titania - 한여름 밤의 꿈 (셰익스피어)

천왕성의 위성 중 가장 큰 위성으로 지름은 1,580km. 남성형 이름인 토성의 타이탄과 헷갈리지 않도록 해야 합니다 ^^.

18) 오베론 Oberon - 한여름 밤의 꿈 (셰익스피어)

티타니아에 못지 않은 1,520km의 지름을 자랑한다. 전체 천왕성 위성의 질량 중 미란다부터 오베론까지 다섯 위성의 질량이 차지하는 비중은 99.9% 입니다.

19) 프란시스코 Francisco - 템페스트 (셰익스피어)

20) 캘리번 Caliban - 템페스트 (셰익스피어)

21) 스테파노 Stephano - 템페스트 (셰익스피어)

22) 트린쿨로 Trinculo - 템페스트 (셰익스피어)

23) 시코락스 Sycorax - 템페스트 (셰익스피어)

24) 마가릿 Margaret - 헛소동 / 공연한 소동 Much ado about nothing (셰익스피어)

25) 프로스페로 Prospero - 템페스트 (셰익스피어)

26) 세테보스 / 세티버스 Setebos - 템페스트 (셰익스피어)

27) 퍼디난드 / 페르디난드 Ferdinand - 템페스트 (셰익스피어)