천왕성

천왕성은 태양으로부터 일곱 번째 행성이자 두 얼음 거인 중 첫 번째 행성이다 — 목성과 토성을 지배하는 수소와 헬륨이 아니라, 작은 암석핵을 감싼 물, 암모니아, 메테인으로 이루어진 깊고 뜨거운 맨틀로 만들어진 세계다. 반지름이 약 25,400km에 달해 태양계에서 세 번째로 큰 행성이며 지구보다 네 배나 넓지만, 태양으로부터 약 19천문단위나 떨어져 있어 태양빛이 도달하는 데 2시간 40분이나 걸릴 만큼 희미하고 멀리 있어, 망원경 시대가 열리기 전까지는 행성으로 인식되지 못했다.

천왕성을 특별하게 만드는 것은 그 자세다. 이 행성은 옆으로 완전히 누워 있어, 자전축 기울기가 97.77도에 달할 만큼 거의 공전 궤도면과 나란히 회전한다. 팽이처럼 똑바로 서서 도는 것이 아니라 사실상 태양 주위를 굴러다니는 셈이며, 다른 어떤 행성도 이러한 기하학적 구조에 근접하지 못한다.

망원경으로 발견된 최초의 행성

토성 안쪽에 있는 모든 행성은 육안으로도 뚜렷이 보이는 밝은 방랑자로서 고대부터 알려져 있었다. 천왕성은 그 전통을 깼다. 1781년 3월 13일, 독일 태생의 영국 천문학자 윌리엄 허셜은 바스에 있는 자신의 정원에서 하늘을 훑던 중 처음에는 혜성으로 여겼던 작은 원반을 발견했다. 2년이 채 지나지 않아 그 느리고 거의 원형에 가까운 궤도가 그것이 새로운 행성임을 드러냈다 — 망원경의 도움으로 발견된 최초의 행성이었으며, 그 즉시 알려진 태양계의 폭을 두 배로 넓혔다.

허셜은 조지 3세의 이름을 따서 '조지의 별'이라는 뜻의 '게오르기움 시두스'라 이름 붙이고자 했고, 다른 이들은 '허셜'을 제안했다. 결국 정착된 이름은 천문학자 요한 보데가 제안한 '우라노스'였다 — 그리스의 하늘의 신이자, 공교롭게도 토성의 아버지이자 목성의 할아버지로, 행성계의 가장자리에서도 신화적 가계를 그대로 이어갔다.

옆으로 누운 세계

97.77도의 기울기는 단순한 호기심거리가 아니라, 태양계에서 가장 기이한 계절을 만들어낸다. 천왕성은 거의 옆으로 누워 있기 때문에, 84년에 이르는 공전 주기의 절반 동안 한쪽 극은 약 42년간 끊임없이 햇빛을 받고 반대쪽 극은 42년간 완전한 어둠에 잠긴다. 천왕성의 1년 중 4분의 1 동안은 태양이 극지방 거의 바로 위에 떠 있는, 다른 어떤 행성도 겪지 않는 상황이 벌어진다.

가장 유력한 설명은 먼 과거의 격렬한 충돌이다: 행성 역사 초기에 지구 크기의 천체와 한 번 또는 여러 번 충돌하면서 옆으로 넘어갔다는 것이다. 금성과 마찬가지로 천왕성도 역행 자전을 하며, 동쪽에서 서쪽으로 도는데, 그 속도 또한 빨라서 하루가 겨우 17시간 정도밖에 걸리지 않는다.

왜 옅은 청록색으로 빛나는가

천왕성의 대기는 대부분 수소와 헬륨으로 이루어져 있으며, 소량이지만 결정적인 비율의 메테인과 미량의 물, 암모니아를 포함한다. 메테인은 태양빛의 붉은 파장을 흡수하고 파랑과 초록을 반사하는데, 이것이 1986년 보이저 2호의 카메라가 포착한 부드럽고 무늬 없는 아쿠아마린 색을 만들어내는 이유다. 목성과 토성이 띠 무늬와 폭풍으로 들끓는 반면, 가시광선으로 본 천왕성은 거의 텅 빈 것처럼 보인다 — 매끄러운 청록색 당구공 같은 모습으로, 희미한 구름 띠는 높은 메테인 안개 아래 묻혀 있다.

천왕성은 또한 태양계에서 가장 추운 행성이기도 하다. 대기 온도는 최저 약 49K, 즉 영하 224°C까지 떨어지며, 어떤 곳에서는 더 먼 해왕성보다도 춥다. 천왕성은 다른 거대 행성들에 비해 내부에서 방출하는 열이 놀라울 만큼 적어서, 해왕성과 목성처럼 내부에서 스스로를 데우고 있지 않다.

희미한 고리와 비뚤어진 자기장

천왕성은 현재까지 알려진 13개의 고리로 둘러싸여 있다 — 좁고 어두우며, 토성의 고리를 화려하게 만드는 밝은 얼음이 아니라 거칠고 숯처럼 검은 입자들로 이루어져 있다. 이 고리들은 1977년 3월 10일 우연히 발견되었는데, 제임스 엘리엇이 이끄는 천문학자들이 천왕성이 어떤 별 앞을 지나가는 것을 관찰하던 중 그 별이 천왕성 양쪽에서 여러 차례 깜빡이며 사라지는 것을 보고, 아무도 직접 본 적 없는 얇은 고리의 존재를 밝혀냈다.

천왕성의 자기장 역시 매우 이례적이다. 보이저 2호는 자기장이 자전축에서 약 59도 기울어져 있고 행성 중심에서 상당히 벗어나 있다는 것을 발견했는데, 이는 지구나 목성처럼 대체로 중심에 정렬된 자기장과 달리 천왕성이 자전할 때마다 자기권이 심하게 흔들리는 결과를 낳는다.

얼음 위성들의 가족

천왕성에는 적어도 28개의 위성이 알려져 있으며, 다른 모든 행성과 달리 이 위성들은 고전 신화 속 인물이 아니라 윌리엄 셰익스피어의 희곡과 알렉산더 포프의 시에 등장하는 인물들의 이름을 따서 명명되었다 — 티타니아, 오베론, 아리엘, 움브리엘, 퍼크, 코델리아, 오필리아 등이다. 다섯 개의 주요 위성은 암석과 물 얼음으로 이루어진 세계로, 과거의 지질 활동으로 인해 크레이터가 생기고 갈라져 있다.

가장 눈에 띄는 것은 반지름이 겨우 약 236km에 불과한 작은 위성 미란다로, 표면이 산등성이와 홈, 계단 모양의 단층 블록이 뒤섞인 조각보 무늬를 이루고 있다. 이곳에는 최대 20km 깊이까지 내려가는 절벽인 베로나 루페스가 있는데, 이는 태양계 전체에서 알려진 가장 높은 절벽 중 하나로, 그랜드캐니언을 여러 번 합친 것보다도 깊은 단애다.

단 한 번뿐인 탐사

지금까지 어떤 우주선도 천왕성 궤도에 진입한 적이 없다. 우리가 근접 촬영을 통해 알고 있는 모든 것은 단 한 번의 방문에서 나온 것이다: NASA의 보이저 2호가 1986년 1월 24일 천왕성을 스쳐 지나가며 구름 꼭대기로부터 약 81,500km까지 접근했다. 불과 몇 시간 만에 이 행성과 고리, 위성들의 첫 상세 이미지를 전송했고, 열한 개의 새로운 위성과 두 개의 새로운 고리를 발견한 뒤 해왕성을 향해 계속 나아갔다.

그 근접 통과가 거의 40년 전에 이루어졌고, 천왕성의 긴 1년 중 태양을 향해 옆으로 기울어진 단 한 순간만을 포착했기 때문에, 천왕성은 여전히 가장 잘 알려지지 않은 주요 행성 중 하나로 남아 있다. 전용 천왕성 궤도선은 향후 행성 탐사의 최우선 과제 중 하나로 꼽혀 왔으며, 이것이 실현된다면 마침내 과학자들은 천왕성의 계절 변화를 관찰하고, 깊은 내부를 탐측하며, 시간에 따른 고리와 위성들의 변화를 지도화할 수 있을 것이다.

천왕성을 관측하는 방법

천왕성은 육안 관측 가능성의 경계선에 걸쳐 있다. 정말로 어둡고 달빛이 없는 하늘 아래에서는, 정확히 어디를 봐야 할지 아는 예리한 관측자라면 약 5.7등급의 희미한 점으로 겨우 볼 수 있다 — 하지만 실제로는 거의 모든 사람이 그것을 배경 별들과 구분해내기 위해 쌍안경이나 소형 망원경, 그리고 별자리 지도가 필요하다. 어느 정도 성능의 망원경으로 보면 작고 옅은 청록색 원반으로 분해되어, 점처럼 보이는 별이 아니라 분명한 행성임을 알 수 있지만, 워낙 멀리 있어 지구에서 보이는 표면 세부 정보는 거의 없다.