천왕성의 자전축과 관측역사

우리 태양계의 8개 행성 중 7번째 행성인 천왕성(Uranus)에 대해 알아보겠습니다. 천왕성의 대기는 최소 49K (–224°C)에 이르며 태양계 행성들 중 가장 차가운 행성입니다. 천문학자들은 이러한 얼음처럼 차가운 특성과 색깔 때문에 해왕성을 '얼음 거대 행성’이라는 이름으로 부르곤 합니다.

천왕성의 특이한 자전축

천왕성의 자전축에 대해 먼저 알아보겠습니다. 천왕성의 자전축의 기울기는 약 98도로 태양계 평면에 거의 누워있는 상태입니다. 천왕성은 다른 행성들과 달리 기울어진 구르는 공에 더 가까운 편입니다. 이 심한 기울기의 원인은 아직 확실히 밝혀지지 않았습니다. 태양계 초기에 천왕성이 지구만 한 원시행성과 충돌로 인한 원인으로 추측하기도 합니다. 이 추정의 경우 지구만 한 원시 행성의 충돌 시에 잔존 물질들이 모여 위성을 형성 될 가능성이 높습니다. 그러나 지구만 한 천체 충돌의 증거로 부족합니다. 그 이유는 천왕성의 주요 위성들이 해왕성의 큰 위성인 트리톤보다 훨씬 작기 때문입니다. 다른 행성들 토성과 해왕성들의 중력의 영향으로 궤도와 기울기에 영향을 줄 가능성도 있습니다. 천왕성의 이러한 특이한 자전 때문에, 천왕성의 지점 부근에서는 극 한쪽 면이 계속 태양을 향하고, 반대쪽 극은 태양을 볼 수 없습니다. 한쪽의 극은 42년 동안 태양 빛을 받는 반면에 한쪽은 42년 동안 어둠만 존재합니다. 한쪽 극 부분은 적도 부분보다 더 많은 태양의 에너지를 받고 있지만, 특이하게 천왕성의 적도가 오히려 에너지를 더 많이 받는 극보다 따뜻합니다. 이 현상으로 미루어 볼 때 40년 주기의 태양 빛/암흑의 반복이 큰 영향을 못 주는 것으로 예상됩니다. 그 이유는 대기의 질량과 그 속에 열을 저장할 수 있는 양이 워낙 크기 때문입니다. 

천왕성에서 태양을 본다면 지구에서 보는 것보다 400배 희미하게 보일 것으로 추측합니다. 천왕성은 84년 주기로 태양을 30억 km ( 약 20 천문단위 ) 거리에서 한 바퀴 돌고 있습니다. 천왕성의 자전 주기는 17시간 14분 정도입니다. 그러나, 천왕성의 상부 대기는 자전의 방향으로 심한 바람을 받고 있습니다. 그래서 실제 보이는 천왕성의 대기는 실제 자전 주기보다 빠르게 움직이고 있습니다. 이 빠른 움직임으로 인해 한번 자전한 데는 14시간도 채 걸리지 않을 것으로 보입니다.

천왕성의 발견과 관측 역사

1690년 존 플램스티드는 최초의 관측기록을 남겼습니다. 원래 천왕성은 이전에 여러 번 발견된 적이 있으나 행성 자체가 어두워 행성으로 인지하지 않고 평범한 별로 여겨졌습니다. 그러나 존 플램스티드는 달랐습니다. 최소 여섯 번 천왕성을 관측했고 자신의 성표에 황소자리 34로 기록했습니다. 1750년~1769년 사이 프랑스 천문학자 피에르 르모니에는 천왕성을 최소 12번 관측했습니다. 심지어 나흘 밤에 걸친 연속 관측이 포함되어 있을 만큼 열정적인 관측이었습니다.

1781년 3월 13일 윌리엄 허셜도 천왕성을 발견했지만 1781년 4월 26일 처음 발견했을 당시에는 이를 혜성으로 보고했습니다. 허셜은 자신의 논문에 천왕성을 "황소자리 제타 근처에 있는 성운 비슷한 별 혹은 혜성"이라고 표현했습니다. 3월 17일 허셜은 혜성 혹은 성운 비슷한 별을 찾았으며 이제 그 별이 위치를 바꿨다는 점에서 혜성임을 알았고 기술하기도 했습니다. 허셜은 자신의 발견 사실을 왕립 학회에 제출할 때 자신이 혜성 하나를 발견했다고 계속 주장하면서도 이를 명시적으로 행성에 비유했습니다. 허셜은 자신이 고안한 망원경을 사용하여 붙박이별들의 시차에 대한 일련의 관측에 몰두했다. 천왕성은 지금 허셜 천문학 박물관이 된 서머싯 소재 배스 타운 뉴 킹 스트리트 19에 있는 자기 집 정원에서 관측했습니다. 

허셜은 이 발견을 왕실천문관 네빌 마스켈라인에게 알렸고, 4월 23일에 답신을 받았다. 답신을 준 마스켈라인은 혜성이 상당히 타원형의 궤도를 도는 데 비해, 이 천체는 마치 행성과 같이 태양을 거의 원형의 궤도로 공전하고 있기 때문에 뭐라고 명명해야 할지 모르겠다고 설명했습니다. 또한 코마나 꼬리 같은 것은 관측하지 못해서 더욱 미스테리하게 생각했습니다.

다른 천문학자와 과학자들의 끊임없는 연구로 행성으로 결론을 내리게 되어있습니다. 베를린의 요한 엘레르트 보데는 허셜의 발견에 대해 지금까지 알려지지 않은, 토성 너머의 궤도를 공전하는 행성과 같은 천체로 간주하였습니다. 보데 역시 이 천체를 행성과 더욱 비슷하다고 결론을 내렸습니다. 한편 러시아의 천문학자 앤더스 렉셀은 천왕성의 궤도를 최초로 계산하였습니다. 이후 거의 원형에 가까운 궤도를 보고 혜성보다는 행성에 가깝다고 결론 내렸습니다.