태양계 외곽의 신비한 얼음 거인 행성들. 98도 기울어져 옆으로 누워 자전하는 천왕성과 태양계에서 가장 강한 바람이 부는 해왕성. 메탄 대기가 만드는 푸른색, 다이아몬드 비, 독특한 자기장과 위성들의 비밀을 알아봅니다. 본문에서 천왕성과 해왕성, 옆으로 누운 행성과 푸른 얼음 거인에 대해서 자세히 살펴보겠습니다.
얼음 거인이라는 독특한 분류
천왕성과 해왕성은 태양계의 외곽 행성으로 얼음 거인이라는 독특한 분류에 속하는데, 목성과 토성은 가스 거인이지만 천왕성과 해왕성은 내부 구조가 다릅니다. 가스 거인은 대부분 수소와 헬륨으로 이루어져 있지만, 얼음 거인은 질량의 약 80%가 물, 메탄, 암모니아로 구성된 얼음과 암석으로 이루어져 있어서 밀도가 더 높고 크기에 비해 질량이 큽니다. 천왕성은 1781년 윌리엄 허셜이 발견한 최초의 망원경 발견 행성인데, 허셜은 처음에 혜성이라 생각했지만 계산 결과 태양 주위를 도는 행성임이 밝혀졌고, 그리스 신화의 하늘의 신 우라노스의 이름을 따라 명명되었습니다. 해왕성은 1846년 수학적 계산으로 예측되어 발견된 최초의 행성인데, 천왕성의 궤도가 예측과 달라 보이지 않는 행성이 중력을 미친다고 추정했고, 프랑스의 위르뱅 르베리에와 영국의 존 쿠치 애덤스가 독립적으로 위치를 계산했으며, 독일의 요한 갈레가 르베리에의 계산을 바탕으로 관측하여 발견했습니다. 두 행성 모두 태양에서 매우 멀어서 천왕성은 평균 28억 7천만 킬로미터, 해왕성은 45억 킬로미터 떨어져 있으며, 천왕성은 84년, 해왕성은 165년에 한 번씩 태양 주위를 공전하는데 해왕성은 1846년 발견 이후 2011년에야 처음으로 한 바퀴를 완성했습니다. 두 행성 모두 아름다운 푸른색을 띠는데, 대기 중 메탄이 붉은 빛을 흡수하고 푸른 빛을 반사하기 때문이며, 해왕성이 천왕성보다 더 진한 파란색인데 이는 메탄 농도가 높고 대기 중 미확인 물질이 추가로 파란색을 강화하기 때문으로 추정됩니다.
천왕성 - 옆으로 누운 독특한 행성
천왕성의 가장 독특한 특징은 자전축이 98도 기울어져 있다는 것인데, 이는 거의 옆으로 누워서 태양 주위를 도는 것과 같으며 다른 행성들의 자전축 기울기가 30도 이하인 것과 대조적입니다. 이런 극단적인 기울기 때문에 천왕성의 계절은 매우 독특한데, 극지방은 42년간 계속 낮이고 42년간 계속 밤이며, 여름에는 극이 태양을 직접 향하고 겨울에는 극이 태양 반대편을 향합니다. 자전축이 왜 이렇게 기울었는지는 수수께끼인데, 가장 유력한 가설은 태양계 형성 초기에 지구 크기의 천체가 충돌하여 천왕성을 옆으로 넘어뜨렸다는 것이고, 최근 연구는 여러 번의 작은 충돌이 누적되어 기울었을 가능성도 제시합니다. 천왕성의 지름은 50,724킬로미터로 지구의 약 4배이며 질량은 지구의 14.5배인데, 표면 중력은 지구의 0.89배로 비슷하고, 하루는 17시간 14분으로 비교적 빠르게 자전합니다. 대기는 수소 83%, 헬륨 15%, 메탄 2%로 구성되어 있는데, 메탄이 붉은 빛을 흡수하여 청록색을 띠며, 대기 온도는 영하 220도 정도로 태양계에서 가장 낮은 대기 온도를 기록합니다. 천왕성은 내부 열을 거의 방출하지 않는데, 다른 거대 행성들은 받는 태양 에너지보다 더 많은 열을 방출하지만 천왕성은 거의 같아서 내부가 식었거나 열 전달이 차단된 것으로 추정되며, 이 때문에 대기 활동이 매우 조용하여 구름이나 폭풍이 거의 관측되지 않습니다. 천왕성의 자기장도 특이한데, 자전축에서 59도 기울어져 있고 행성 중심에서 벗어나 있어서 자기장이 비대칭적이며, 이는 자기장이 핵이 아니라 얼음 맨틀에서 생성되기 때문으로 추정됩니다. 천왕성에는 13개의 희미한 고리가 있는데, 1977년 항성 엄폐 관측 중 우연히 발견되었고 주로 어두운 입자로 이루어져 있어 반사율이 2%에 불과하며, 위성 충돌로 생성된 것으로 보입니다. 천왕성의 주요 위성은 5개인데, 미란다, 아리엘, 움브리엘, 티타니아, 오베론이며 모두 셰익스피어 작품의 인물 이름을 따랐고, 미란다는 특히 독특한데 표면이 극도로 다양한 지형을 보여 베로나 절벽은 높이가 20킬로미터에 달합니다. 천왕성은 보이저 2호가 1986년 근접 비행한 것이 유일한 탐사인데, 5개의 새로운 위성과 11개의 새로운 고리를 발견했고 자기장을 측정했으며, 그 이후 탐사선이 방문하지 않아 여전히 많은 비밀이 남아 있습니다.
해왕성 - 역동적인 푸른 거인
해왕성은 천왕성과 크기가 비슷하지만 훨씬 역동적인 행성인데, 지름이 49,244킬로미터로 천왕성보다 약간 작지만 질량은 지구의 17배로 더 무겁고 밀도가 높습니다. 하루는 16시간으로 빠르게 자전하며, 자전축은 28.3도 기울어져 있어 비교적 정상적입니다. 해왕성의 대기는 매우 활발한데, 태양계에서 가장 강한 바람이 불어 시속 2,100킬로미터에 달하며 이는 지구에서 가장 강한 태풍의 10배 이상이고, 이렇게 강한 바람이 부는 이유는 명확하지 않지만 내부 열원이 풍부하기 때문으로 추정됩니다. 해왕성은 받는 태양 에너지보다 약 2.6배 많은 열을 방출하는데, 이는 행성이 계속 수축하면서 중력 에너지가 열로 변환되기 때문이며, 이 내부 열이 활발한 대기 순환을 일으킵니다. 1989년 보이저 2호가 방문했을 때 대암점이라는 지구 크기의 거대한 폭풍을 발견했는데, 이는 목성의 대적점과 비슷한 고기압 소용돌이였지만 1994년 허블 망원경 관측에서 사라졌고 다른 위치에 새로운 폭풍이 나타났습니다. 해왕성 대기에는 밝은 권운형 구름이 자주 나타나는데, 메탄 얼음으로 이루어져 있으며 높은 고도에 형성되고, 스쿠터라는 별명이 붙은 작은 흰 구름은 16시간에 한 바퀴를 돌아 자전 속도보다 빨랐습니다. 해왕성의 자기장도 천왕성처럼 기울어져 있는데, 자전축에서 47도 기울어져 있고 중심에서 벗어나 있으며, 이는 두 얼음 거인의 내부 구조가 유사함을 시사합니다. 해왕성에도 6개의 희미한 고리가 있는데, 1984년 항성 엄폐로 발견되었고 일부 고리에는 호라는 덩어리진 부분이 있어 고르지 않습니다. 해왕성의 가장 큰 위성은 트리톤인데, 지름 2,706킬로미터로 태양계에서 7번째로 큰 위성이며, 역행 궤도로 공전하여 해왕성의 자전 방향과 반대로 돌고, 이는 트리톤이 원래 카이퍼 벨트 천체였다가 해왕성에 포획되었음을 시사합니다. 트리톤의 표면 온도는 영하 235도로 태양계에서 가장 춥지만, 질소 간헐천이 활동하여 지질학적으로 활발하며, 표면이 질소와 메탄 얼음으로 덮여 있고 분홍빛을 띠는데 이는 메탄이 자외선을 받아 유기물이 생성되기 때문입니다. 트리톤은 점차 해왕성에 가까워지고 있는데, 조석력으로 에너지를 잃어 약 36억 년 후에는 로슈 한계 안으로 들어와 파괴되어 해왕성 주위에 토성보다 더 장엄한 고리를 만들 것으로 예측됩니다. 천왕성과 해왕성의 내부에서는 다이아몬드 비가 내릴 가능성이 있는데, 엄청난 압력과 온도에서 메탄이 분해되어 탄소가 다이아몬드 결정으로 응축되고, 무거운 다이아몬드가 핵 쪽으로 가라앉아 비처럼 내린다는 이론이며, 2017년 실험실에서 유사한 조건을 만들어 다이아몬드 생성을 확인했습니다. 미래 탐사 계획으로는 NASA의 얼음 거인 탐사 임무가 논의 중인데, 2030년대 발사를 목표로 하며 천왕성이나 해왕성 중 하나를 목표로 할 예정이고, 대기 탐사선을 투입하여 내부 구조와 대기 화학을 연구할 계획입니다. 천왕성과 해왕성은 태양계에서 가장 덜 탐사된 행성으로 각각 한 번씩만 탐사선이 방문했지만, 이 신비로운 얼음 거인들은 행성 형성과 태양계 진화를 이해하는 데 중요한 단서를 제공하며, 다른 항성계의 행성 대부분이 해왕성 크기라는 점에서 외계 행성 연구에도 중요합니다.