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천왕성

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목차

1. 개요

천왕성은 태양계의 일곱 번째 행성으로, 1781년 윌리엄 허셜에 의해 발견되었다. 다른 행성과 달리 자전축이 공전 궤도면에 거의 누워 있는 독특한 특징을 가지며, 약 84년 주기로 태양을 공전한다. 천왕성은 주로 수소, 헬륨, 메탄으로 구성된 대기를 가지고 있으며, 메탄은 청록색을 띠게 한다. 내부 구조는 암석 핵, 얼음 맨틀, 그리고 기체 대기로 이루어져 있으며, 내부 열이 다른 가스 행성에 비해 낮다. 천왕성은 희미한 고리 시스템과 여러 개의 위성을 가지고 있으며, 보이저 2호가 유일하게 탐사한 행성이다.

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천왕성
지도 정보
기본 정보
이름천왕성
로마자 표기Cheonwangseong
기호[[파일:Uranus symbol (bold).svg|24px|⛢|class=skin-invert]], [[파일:Uranus monogram (bold).svg|24px|♅|class=skin-invert]]
보이저 2호가 촬영한 천왕성
천왕성의 참색상 (보이저 2호 촬영). 구름 위의 안개 장막으로 인해 창백하고 흐릿하게 보인다.
영어 이름Uranus
발견자윌리엄 허셜
발견일1781년 3월 13일
발견 장소영국, 바스
발견 방법자택의 망원경을 통한 관측
명칭 유래그리스 신 우라노스의 라틴어 형태 Ūranus에서 유래
형용사천왕성의 (Uranian, )
분류천왕성형 행성
궤도 정보
궤도 기준점J2000
궤도 장반축19.19126393 au
궤도 이심률0.04717
공전 주기84.0205 년

천왕성 태양일
회합 주기369.66일
평균 공전 속도6.80 km/s
궤도 경사0.773° (황도)
6.48° (태양 적도)
0.99° (불변면)
승교점 경도74.006°
근일점 편각96.998857°
평균 근점 이각142.238600°
근일점 통과 시기2050년 8월 17-19일
물리적 특징
위성 수28
편평도0.0229 ± 0.0008
적도 반지름(지구의 4.007배)
극 반지름(지구의 3.929배)
표면적(지구의 15.91배)
부피(지구의 63.086배)
질량(지구의 14.536배)
평균 밀도1.27 g/cm³
표면 중력8.69 m/s²
관성 모멘트 계수0.23 (추정치)
탈출 속도21.3 km/s
자전 주기-0.71832일 (-17시간 14분 23초) (역행)
항성일-0.71833일 (-17시간 14분 24초) (역행)
자전 속도2.59 km/s
자전축 기울기82.23° (궤도 기준, 역행), 97.77° (순행, 오른손 법칙)
북극점 적경17시 9분 15초 (257.311°)
북극점 적위-15.175°
본드 반사율0.300
기하 반사율0.488
겉보기 등급5.38에서 6.03까지
절대 등급-7.2
각크기3.3″ ~ 4.1″
대기 정보
대기 존재 여부예
대기 온도 (1 bar 수준)76 K
대기 온도 (0.1 bar 수준, 대류권계면)최저 47 K, 평균 53 K, 최고 57 K
대기 스케일 높이27.7 km
대기 구성 (1.3 bar 이하)수소 83 ± 3%
헬륨 15 ± 3%
메탄 2.3%
중수소화수소 0.009% (0.007–0.015%)
황화수소 (미량)
얼음 휘발성 물질암모니아
물 얼음
황화수소 암모늄
메탄 수화물
탐사 정보
최초 탐사보이저 2호 (1986년 1월 24일)
탐사 계획중국의 태양계 외곽 탐사 계획에 포함

2. 역사

천왕성은 다른 행성들과 마찬가지로 맨눈으로 볼 수 있지만, 어둡고 공전 속도가 느려 고대에는 그 존재가 알려지지 않았다.[9] 근대에 들어서 여러 차례 관측되었지만 행성으로 인식되지 않았다. 가장 오래된 관측 기록은 1690년에 존 플램스티드가 황소자리 34번성으로 기록한 것이다.

1781년 3월 13일, 윌리엄 허셜이 천왕성을 관측했다. 그는 새로운 천체임을 알아챘지만, 혜성이라고 생각하여 발표했다. 그러나 관측이 진행되면서 혜성의 궤도와는 맞지 않았다. 안데르스 렉셀은 원궤도를 가정하여 궤도를 계산했고, 그 결과 새로운 천체가 토성보다 훨씬 멀리 떨어져 있다는 것을 알게 되었다. 이후 이 천체는 행성으로 여겨지게 되었다.

허셜은 새로운 행성을 영국 국왕 조지 3세를 기념하여 '게오르기움 시두스(라틴어: Georgium Sidus, "조지의 별")'로 명명했다. 그러나 이 명칭은 영국 외 지역에서는 널리 퍼지지 않았다. 1784년에 제롬 라랑드가 제안한 "허셜"이라는 이름은 프랑스 천문학자들 사이에서 퍼졌다. 이후에도 많은 이름이 제안되었지만, 결국 요한 보데가 제안하고 하늘의 신 우라노스에서 유래한 "우라누스"라는 이름이 널리 퍼졌다. 1827년까지는 영국에서도 이 이름이 가장 일반적이 되었고, 1850년에 모든 천문대가 우라누스로 변경하였다. 중국에서 만들어진 "천왕성"이라는 번역어는 일본·한국·베트남에도 퍼졌다.

2. 1. 발견

1781년 3월 13일, 윌리엄 허셜은 서머싯 배스 타운 뉴 킹 스트리트 19에 있는 자기 집 정원(현재 허셜 천문학 박물관)에서 천왕성을 관측했으나,[187] 처음에는(1781년 4월 26일) 이를 혜성으로 보고했다.[188] 허셜은 자신이 고안한 망원경을 사용하여 붙박이별들의 시차에 대한 일련의 관측에 몰두했다.[189]

허셜은 자신의 논문에 천왕성을 "황소자리 제타 근처에 있는 성운 비슷한 별 혹은 혜성"이라고 표현했다.[190] 3월 17일 허셜은 "나는 혜성 혹은 성운 비슷한 별을 찾았으며 이제 그 별이 위치를 바꿨다는 점에서 혜성임을 알았다."라고 기술했다.[191] 그는 자신의 발견 사실을 왕립 학회에 제출할 때 자신이 혜성 하나를 발견했다고 계속 주장하면서도 이를 명시적으로 행성에 비유했다.[192]

허셜이 천왕성을 발견한 망원경의 모형(윌리엄 허셜 박물관).


허셜은 이 발견을 왕실천문관 네빌 마스켈라인에게 알렸고, 4월 23일에 당황한 마스켈라인의 답신을 받았다. "나는 이걸 뭐라고 해야 할 지 모르겠다. 혜성이 상당히 타원형의 궤도를 도는 데 비해, 이 천체는 마치 행성과 같이 태양을 거의 원형의 궤도로 공전하고 있다. 코마나 꼬리 같은 것은 관측하지 못했다."[193][194]

허셜이 계속 혜성을 발견했다고 주장했지만, 다른 천문학자들은 다른 가능성을 생각하고 있었다. 러시아의 천문학자 앤더스 렉셀은 이 천체의 궤도를 최초로 계산하고,[195] 거의 원형에 가까운 궤도를 보고 혜성보다는 행성에 가깝다고 결론내렸다. 베를린의 요한 엘레르트 보데는 허셜의 발견에 대해 "지금까지 알려져 있지 않은, 토성 너머의 궤도를 공전하는 행성과 같은 천체로 간주할 수 있다"라고 말했다.[196][197] 보데 역시 이 천체를 혜성보다는 행성과 더욱 비슷하다고 결론내렸다.[198]

1781년 3월 13일 천왕성 발견 당시 위치(십자 표시)


천왕성은 행성으로 인지되기 전에도 여러 번 발견되었으나 관측자들은 행성 자체가 어두워 이를 평범한 별로 잘못 생각했다. 최초의 관측 기록은 1690년 존 플램스티드의 것으로, 그는 천왕성을 최소 여섯 번 관측했고 자신의 성표에 황소자리 34로 기록했다. 프랑스 천문학자 피에르 르모니에는 1750년 ~ 1769년 사이 천왕성을 최소 12번 관측했으며[186] 여기에는 나흘 밤에 걸친 연속 관측이 포함되어 있다.

2. 2. 명칭

천왕성의 이름은 다른 행성들과 마찬가지로 그리스 신화에 나오는 하늘의 신 우라노스에서 유래했다. 발견 초기에는 발견자 윌리엄 허셜의 후원자였던 영국 왕 조지 3세의 이름을 따 'Georgium Sidus|게오르기움 시두스la'(조지의 별)로 명명하자는 제안이 있었으나,[23] 영국 외 지역에서는 널리 받아들여지지 않았다. 천문학자 제롬 랄랑드는 발견자인 허셜의 이름을 따서 '허셜'로 명명할 것을 제안했고,[112] 요한 엘레르트 보데는 그리스 신화의 신 우라노스의 이름을 따 '우라누스'로 명명할 것을 제안했다.[25] 보데의 제안이 가장 널리 사용되었으며, 1850년에 HM 해양력 사무소가 '우라누스'로 공식 명칭을 변경하면서 보편화되었다.[113]

요한 엘레르트 보데, 천왕성이라는 이름을 제안한 천문학자


한국, 중국, 일본, 베트남 등 동아시아 국가에서는 '하늘의 왕'이라는 뜻의 '천왕성(天王星)'으로 번역되어 사용된다.[32][33][34][35]

3. 궤도와 자전

천왕성은 약 84년을 주기로 태양을 공전하며, 태양과의 평균 거리는 약 30억km(약 20 AU)이다.[41] 이는 지구와 태양 사이 거리의 약 20배에 해당하며, 천왕성에서 태양을 보면 지구에서보다 400배 정도 희미하게 보일 것이다.[43]

천왕성의 궤도는 1783년 피에르 시몽 라플라스가 처음 계산했다.[114] 시간이 지나면서 예측된 궤도와 실제 관측된 궤도 사이에 차이가 발생했고, 1841년 존 카우치 애덤스는 이 차이가 미지의 행성 때문일 수 있다고 제안했다.[44] 1845년 위르뱅 르베리에는 천왕성의 궤도에 대한 독자적인 연구를 시작했고, 1846년 9월 23일 요한 고트프리트 갈레는 르베리에가 예측한 위치 근처에서 새로운 행성인 해왕성을 발견했다.[44]

천왕성의 자전 주기는 약 17시간 14분이다.[45] 그러나 천왕성의 상층 대기는 자전 방향으로 강한 바람의 영향을 받아, 대기의 가시적인 부분은 이보다 빠른 약 14시간 만에 한 바퀴 회전하기도 한다.[45]

3. 1. 자전축 기울기

천왕성의 자전축은 태양계 평면에 거의 누워있다시피 하며, 기울기는 약 98도이다. 이렇게 큰 자전축 기울기는 천왕성의 계절을 다른 행성과 완전히 다르게 만든다. 태양계의 다른 행성들은 기울어진 팽이를 연상시키지만, 천왕성은 기울어진 채 구르는 공에 더 가깝다. 천왕성의 지점 부근에서는 한쪽 극이 계속 태양을 향하고, 반대쪽 극은 태양을 볼 수 없다. 한쪽 극은 42년 동안 태양 빛을 받고, 42년 동안 어둠에 놓이게 된다.[199]

이러한 천왕성의 특이한 자전 때문에, 한쪽 극 부분은 적도 부분보다 더 많은 태양 에너지를 받는다.[199] 그럼에도 불구하고, 천왕성의 적도가 극보다 더 따뜻하다.[200] 이는 대기의 질량과 그 속에 열을 저장할 수 있는 양이 워낙 커서 40년 주기의 태양빛/암흑 반복이 큰 영향을 주지 못하기 때문으로 예상된다.

이 심한 기울기의 원인은 아직 확실히 밝혀지지 않았지만, 태양계 초기에 천왕성이 지구 크기의 원시행성과 충돌하여 이러한 기울어짐이 생겼다는 추정이 유력하다.[48] 그러나 이 추정은 지구 크기 원시 행성 충돌 시 잔존 물질들이 모여 위성을 형성했을 가능성이 높다는 점을 고려할 때, 천왕성의 주요 위성들이 해왕성의 가장 큰 위성인 트리톤보다 훨씬 작다는 점에서 증거가 부족하다. 따라서 토성과 해왕성 등 다른 행성들의 중력 영향으로 궤도와 기울기에 영향을 받았을 가능성도 제기된다. 더럼 대학교의 제이콥 케거리스 연구에 따르면, 30억~40억 년 전 지구보다 큰 암석이 천왕성과 충돌하여 기울어졌다고 한다.[49]

천왕성의 황도경사각은 약 98도이며, 황도면에 대해 거의 옆으로 누워 있다.[174] 공전 주기가 약 84년이므로, 극점에서는 낮과 밤이 각각 약 42년 동안 계속된다.

천왕성의 자전축이 왜 이렇게 기울어졌는지는 밝혀지지 않았다. 고전적인 추측으로는 행성이 아직 완성되지 않은 시기에 큰 원시 천체가 충돌했다는 설(거대 충돌설)이나, 과거에 거대 위성이 존재했고 그 인력의 영향으로 서서히 기울어졌다는 설도 제기되고 있다.[175][176] 또한, 천왕성이 현재처럼 자전축이 공전면에 대해 옆으로 누워 있게 되려면 지구 크기의 천체가 한 번이 아니라 두 번 충돌해야 한다는 시뮬레이션 연구 결과도 보고되었다.[177]

어느 극을 북극으로 간주하느냐에 따라 경사각은 82.23° 또는 97.8°로 설명할 수 있다. 전자는 국제천문연맹의 정의를 따르는 것으로, 북극은 태양계 불변면의 지구 북쪽에 있는 극을 의미한다. 이렇게 정의하면 천왕성은 역행 자전을 한다. 반대로, 자전 방향에 대한 오른손 법칙에 따라 천체의 남극과 북극을 정의하는 관례를 따르면, 천왕성의 황도경사각은 97.8°로 나타낼 수 있으며, 이는 어느 극을 북극으로, 어느 극을 남극으로 간주하는지를 바꾸어 행성에 직진 자전을 부여한다.[46] 이 때문에 다른 행성과는 완전히 다른 계절 변화가 발생한다. 하지 부근에서는 한 극이 태양을 계속 향하고 다른 극은 태양에서 멀어지며, 적도 주변의 좁은 지역만 빠른 주야 순환을 경험하며 태양은 지평선 위로 낮게 떠 있다. 천왕성 궤도의 반대편에서는 태양을 향한 극의 방향이 반전된다. 각 극은 약 42년 동안 햇빛을 지속적으로 받은 다음 42년 동안 어둠 속에 놓인다.[47] 분점 부근에서는 태양이 천왕성의 적도를 향하고 있어 대부분의 다른 행성에서 볼 수 있는 것과 유사한 주야 순환 주기가 나타난다.

하지와 분점 목록[52]
북반구년도남반구
동지1902, 1986, 2069하지
춘분1923, 2007, 2092추분
하지1944, 2028동지
추분1965, 2050춘분



천왕성은 자전축 기울기 때문에 극 주변이 적도 주변보다 태양으로부터 더 많은 열을 받지만, 적도 쪽이 극보다 온도가 더 높다. 이 이유 역시 아직 밝혀지지 않았다.

4. 물리적 특징

지구와 천왕성의 크기 비교


2006년 허블 우주 망원경의 ACS(Advanced Camera for Surveys)가 관측한 천왕성의 기상 현상 (사진의 사각형 영역에서 거대한 암점이 보임)


천왕성의 반지름은 해왕성보다 조금 더 크지만(지구의 약 4배), 밀도가 낮아 질량은 해왕성보다 작다.[209] 천왕성 내부는 물, 암모니아, 메테인 등 여러 물질이 섞인 상태로, 이는 낮은 밀도를 통해 추측할 수 있다.[205] 천왕성 내부 얼음 물질의 총량은 불확실하며, 모형에 따라 다르지만 지구의 9.3~13.5배로 추정된다.[205][206] 수소와 헬륨은 천왕성 전체 질량의 극히 일부(지구의 0.5~1.5배)를 차지하며, 나머지(지구 질량의 0.5~3.7배)는 암석 물질로 추정된다.[205]

다른 내부 구조 가설도 있으나, 천왕성의 물리적 수치와 크게 다르지 않다. 예를 들어, 수소와 암석 물질이 얼음 맨틀에 섞여 있다면, 맨틀 내 얼음 질량은 줄고 기체 및 암석 물질 질량이 늘어난다고 해석할 수 있다. 현재 측정치로는 정확한 모형을 판별하기 어렵다.[206] 천왕성 내부는 유체 형태로, 고체 표면이 없을 것으로 추측된다. 기체 대기 아래로 내려갈수록 물질은 액체에 가까워진다.[205] 대기압 1바(100킬로파스칼) 지점을 '표면'으로 정의하면, 적도 반지름은 25,559 ± 4 km, 극반지름은 24,973 ± 20 km이다.[209]

천왕성의 평균 겉보기 등급은 5.68(표준편차 0.17, 극값 5.38~6.03)로, 맨눈 관측 한계에 가깝다. 밝기 변화는 태양 조명 위도와 지구 관측 위치에 따라 달라진다. 천왕성의 시직경은 3.4~3.7초각으로, 토성(16~20초각), 목성(32~45초각)보다 작다.[99] 충일 때 어두운 하늘에서 맨눈으로 볼 수 있으며, 쌍안경으로 도시에서도 관측 가능하다.[94] 15~23cm 망원경으로는 고리 어두움을 가진 옅은 청록색 원반으로 보이고, 25cm 이상 망원경으로는 구름 패턴, 티타니아, 오베론 등 큰 위성도 관측할 수 있다.[53]

4. 1. 내부 구조

천왕성의 질량은 지구 질량의 약 14.5배로 가스 행성 중에서는 가장 가볍고, 밀도는 약 1.27g/cm³로 토성 다음으로 낮다.[204] 이러한 낮은 밀도는 천왕성이 물, 암모니아, 메테인 등 여러 종류의 물질이 섞인 상태로 구성되어 있음을 보여준다.[205]

천왕성의 내부는 표준 모형에 따르면 세 부분으로 나뉜다.

구성질량 (지구 질량 기준)특징
중심핵약 0.55배암석 물질로 구성, 천왕성 반지름의 약 20%
맨틀약 13.4배얼음 혼합물로 구성, 천왕성 부피의 대부분 차지
대기약 0.5배수소와 헬륨으로 구성된 기체층, 천왕성 반지름의 약 20%



천왕성 핵의 밀도는 약 9g/cm³이며, 중심에는 800만 바(800 기가파스칼)에 이르는 압력과 5000 켈빈의 온도가 존재한다.[206][207] '얼음' 맨틀은 차가운 얼음이 아닌, 뜨겁게 가열된 물, 암모니아, 기타 휘발성 물질들이 농밀하게 흐르는 상태이다.[205][207] 이 유체는 '물-암모니아 바다'로 불리기도 한다.[208]

최근 연구에 따르면 천왕성 내부에는 액체 다이아몬드로 이루어진 바다가 존재할 가능성도 제기되고 있다. 이 액체 다이아몬드 바다 위에는 다이아몬드 덩어리들이 떠다닐 수 있다고 한다.[54][55]

4. 2. 내부열

천왕성의 내부 열은 다른 거대 행성들에 비해 현저히 낮으며, 낮은 열속을 가지고 있다고 표현한다.[108][119] 천왕성이 왜 이렇게 낮은 내부열을 가지는지는 아직 명확하게 밝혀지지 않았다. 해왕성은 태양으로부터 받는 에너지의 2.61배를 우주로 방출하지만,[108] 천왕성은 과도한 열을 거의 방출하지 않는다. 원적외선 스펙트럼에서 천왕성이 방출하는 총 에너지는 대기에서 흡수되는 태양 에너지의 1.06 ± 0.08배이다.[101][120] 천왕성의 열속은 0.042 ± 0.047 W/m2에 불과하며, 이는 지구의 내부 열속(약 0.075W/m2)보다 낮다.[120] 천왕성 권계면에서 기록된 가장 낮은 온도는 49K(-224.2°C)이며, 이로 인해 천왕성은 태양계에서 가장 차가운 행성이 되었다.[101][120]

이러한 낮은 내부열에 대한 가설은 다음과 같다.

  • 거대 충돌 가설: 지구 크기의 천체와 충돌하여 천왕성이 원시 열의 대부분을 방출하고 핵 온도가 낮아졌다는 가설이다.[62]
  • 상층부 장벽 가설: 천왕성의 상층부에 어떤 장벽이 존재하여 핵의 열이 표면에 도달하는 것을 막는다는 가설이다.[100] 예를 들어, 대류가 조성이 다른 여러 층에서 일어나 상향 열 전달을 억제할 수 있다.[101][120] 어쩌면 이중 확산 대류가 제한 요인일 수도 있다.[100]
  • 마그네슘 용해 가설: 2021년 연구에서는 천왕성과 해왕성의 액체 내부에 다량의 마그네슘이 용해될 수 있음을 보여주었다. 천왕성에 해왕성보다 더 많은 마그네슘이 있다면 단열층을 형성하여 행성의 낮은 온도를 설명할 수 있을 것이다.[63]

4. 3. 대기

천왕성의 대기는 주로 분자 수소 약 83%, 헬륨 약 15%, 메탄 약 2% 등으로 구성되어 있다.[210] 천왕성이 청록색으로 보이는 이유는 대기 중의 메탄이 태양빛의 적색 파장을 흡수하고 청색과 녹색 파장을 반사하기 때문이다.[101]

천왕성의 대기는 세 층으로 나뉜다.[210]

층고도압력특징
대류권-300 ~ 50 km100 ~ 0.1 바 (10 MPa ~ 10 kPa)가장 낮고 밀도가 높으며, 고도에 따라 온도가 감소한다. 복잡한 구름 구조를 가지며, 강한 바람, 밝은 구름, 계절적 변화 등 역동적인 기상 현상이 나타난다.[101][108]
성층권50 ~ 4000 km0.1 ~ 10-10 바 (10 kPa ~ 10 μPa)다양한 탄화수소의 미량이 발견되며, 이는 태양 자외선에 의해 메탄이 광분해되어 생성된 것으로 추정된다.[128]
열권4000 km ~ 표면으로부터 50000 km-희박하며, 명목상의 표면에서 두 행성 반지름 이상으로 확장된다.[122]



중간권은 없다.[210]

대류권은 매우 복잡한 구름 구조를 가지고 있는 것으로 추정된다. 의 압력 범위에는 수증기 구름,[101] 범위에는 황화암모늄 구름,[101] 사이에는 암모니아 또는 황화수소 구름,[101] 그리고 에는 얇은 메탄 구름이 존재할 것으로 보인다.[104]

4. 4. 기후

천왕성의 대기는 다른 거대 가스 행성들과 비교했을 때 매우 고요하며, 쌍둥이격인 해왕성과도 큰 차이를 보인다. 1986년 보이저 2호가 천왕성을 근접 통과했을 당시 관측된 구름은 행성 전체에 10개뿐이었다.[213][215] 이는 천왕성의 내부열이 다른 가스 행성보다 현저히 낮기 때문으로, 천왕성의 대류권 계면에서 가장 낮은 온도는 49K로 해왕성보다도 낮아 태양계에서 가장 추운 행성으로 기록되고 있다.

그러나 최근 망원경 관측에서는 여러 구름과 바람이 부는 것이 포착되었다. 2004년 3월부터 5월까지 천왕성의 대기에 커다란 구름들이 여럿 나타나 해왕성과 같은 모습이 되었으며,[216][217] 229m/s(824km/h)의 기록적인 속도의 바람과 격렬한 뇌우가 발견되었다.[215] 2006년 8월에는 천왕성 표면의 검은 점이 관측되었는데,[219] 이는 천왕성의 대기 활동에 대한 더 많은 정보를 제공했다.

천왕성의 극단적인 자전축 기울기는 계절별로 극단적인 날씨 변화를 만들어 내는 것으로 보인다.[220][221] 천왕성의 자전축은 태양계 평면과 거의 평행하며, 황도경사각은 82.23°이다. 이로 인해 다른 행성과는 완전히 다른 계절 변화가 발생한다. 하지 부근에서는 한 극이 태양을 계속 향하고 다른 극은 태양에서 멀어지며, 각 극은 약 42년 동안 햇빛을 지속적으로 받은 다음 42년 동안 어둠 속에 놓인다.[47] 분점 부근에서는 태양이 천왕성의 적도를 향하고 있어 대부분의 다른 행성에서 볼 수 있는 것과 유사한 주야 순환 주기가 나타난다.

천왕성 대기에 대한 충분한 데이터가 축적되지 않아 계절 변화를 단정하기는 어렵지만, 여러 연구가 진행 중이다. 광도 측정 결과,[222] 분광 대역의 밝기에서 주기적인 변동이 나타났으며, 마이크로파 측정에서도[223] 비슷한 주기성이 발견되었다. 성층권 온도 측정 역시 지점 위치에서 최댓값을 보였다.

하지와 분점 목록[52]
북반구년도남반구
동지1902, 1986, 2069하지
춘분1923, 2007, 2092추분
하지1944, 2028동지
추분1965, 2050춘분


4. 5. 자기장

천왕성은 자기장을 가지고 있다. 보이저 2호의 관측 결과 천왕성의 자기장은 기하학적 중심에서 발생하지 않고 자전축에서 59° 기울어져 있다는 점에서 특이하다.[142][143] 자기 쌍극자는 천왕성 중심에서 남쪽 자전극 쪽으로 행성 반지름의 1/3만큼 이동해 있다.[142] 이러한 특이한 기하학적 구조로 인해 자기권이 매우 비대칭적이 되는데, 남반구 표면의 자기장 세기는 0.1 가우스(10μT)만큼 낮을 수 있는 반면, 북반구에서는 1.1 가우스(110μT)만큼 높을 수 있다.[142] 표면의 평균 자기장은 0.23 가우스(23μT)이다.[142] 지구의 자기장은 양극에서 거의 같은 세기를 가지며, "자기 적도"는 지리적 적도와 거의 평행하다는 점을 비교하면, 천왕성의 쌍극자 모멘트는 지구의 50배이다.[143]

천왕성의 자기장(애니메이션; 2020년 3월 25일)


2017년 보이저 2호 자료 연구에 따르면, 이러한 비대칭성으로 인해 천왕성의 자기권이 천왕성의 하루에 한 번 태양풍과 연결되어 태양 입자에 노출될 수 있다고 한다.[71] 해왕성도 비슷하게 이동하고 기울어진 자기장을 가지고 있어, 이것이 얼음 행성의 공통적인 특징일 수 있음을 시사한다.[143] 한 가지 가설은 지구형 행성과 가스 행성의 자기장이 핵 내부에서 생성되는 것과 달리, 얼음 행성의 자기장은 상대적으로 얕은 깊이, 예를 들어 물-암모니아 바다에서의 운동에 의해 생성된다는 것이다.[118][72] 자기권 정렬에 대한 또 다른 가능한 설명은 천왕성 내부에 자기장을 방해하는 액체 다이아몬드 바다가 존재한다는 것이다.[59]

천왕성의 자기권은 다른 행성의 자기권과 유사한 측면도 있다. 천왕성 반지름의 약 23배 앞에 충격파가 있고, 18배에 자기권계면이 있으며, 완전히 발달된 자기꼬리와 방사선대가 있다.[142][143][144] 전반적으로 천왕성 자기권의 구조는 목성과는 다르고 토성과 더 유사하다.[142][143] 천왕성의 자기꼬리는 수백만 킬로미터에 걸쳐 우주로 뻗어나가며, 옆으로 회전하는 운동에 의해 긴 나선형으로 꼬여 있다.[142][73]

천왕성의 자기권에는 대전입자가 포함되어 있는데, 주로 양성자와 전자이며, 소량의 H2+ 이온이 있다.[143][144] 이 입자들 중 상당수는 열권에서 유래한 것으로 보인다.[144] 이온과 전자의 에너지는 각각 최대 4와 1.2 메가전자볼트에 달할 수 있다.[144] 내부 자기권의 저에너지(1 킬로전자볼트 미만) 이온 밀도는 약 2 cm−3이다.[145] 입자 집단은 천왕성의 위성에 의해 크게 영향을 받는데, 위성들은 자기권을 통과하면서 눈에 띄는 틈을 남긴다.[144] 입자 플럭스는 천왕성의 위성과 고리 표면의 어두워짐 또는 우주풍화를 천문학적으로 빠른 10만 년의 시간 척도로 일으킬 만큼 충분히 높다.[144] 이것이 천왕성 위성과 고리의 고르게 어두운 색깔의 원인일 수 있다.[139]

천왕성에는 비교적 잘 발달된 오로라가 있는데, 이는 양쪽 자극 주위에 밝은 아크로 보인다.[134] 목성과 달리 천왕성의 오로라는 행성 열권의 에너지 균형에 미미한 것으로 보인다.[137]


5. 위성과 고리

천왕성에는 현재까지 28개의 위성이 발견되었으며, 이들의 이름은 셰익스피어와 알렉산더 포프의 작품에 등장하는 인물들의 이름을 따서 지어졌다.[171][117][161] 5대 주요 위성은 미란다, 아리엘, 움브리엘, 티타니아, 오베론이다.[117] 이들은 얼음과 암석으로 구성되어 있다.[139][162] 천왕성의 위성계는 거대 가스 행성 중 가장 질량이 작으며, 5대 위성의 총 질량은 해왕성의 위성 트리톤의 절반에도 미치지 못한다.[98]

거리 순서대로(왼쪽에서 오른쪽) 천왕성의 주요 위성들. 크기와 반사율을 실제 비율로 나타냈다. 왼쪽에서 오른쪽으로 미란다, 아리엘, 움브리엘, 티타니아, 오베론이다.(''보이저 2호'' 사진 모음)


제임스 웹 우주 망원경의 근적외선 카메라(NIRCam)가 촬영한 천왕성과 5개의 주요 위성, 그리고 9개의 내부 위성


가장 큰 위성인 티타니아의 반지름은 로, 달의 절반보다 작지만 토성에서 두 번째로 큰 위성인 레아보다는 약간 크다. 천왕성의 위성들은 반사율이 비교적 낮아서, 움브리엘은 0.20, 아리엘은 0.35(녹색광 기준)이다.[107]

아리엘은 충돌구가 가장 적고 표면이 가장 젊어 보이며, 움브리엘은 가장 오래된 것으로 보인다.[107][139] 미란다는 깊이 의 단층 협곡과 계단식 지층 등 다양한 지형을 보인다.[107] 미란다의 과거 지질 활동은 조석 가열 때문으로 추정되며, 이는 움브리엘과의 3:1 궤도 공명의 결과일 수 있다.[163] 아리엘은 티타니아와 4:1 공명 상태에 있었던 것으로 추정된다.[164]

천왕성은 83982 크란토르와 같은 말굽 궤도 천체를 가지고 있으며, 2010 EU65도 유망한 천왕성 말굽 리브레이터 후보이다.[81]

5. 1. 천왕성의 고리

천왕성은 희미한 행성 고리를 지니는데, 지름 10미터까지의 어두운 미립자로 구성되어 있다.[213] 이는 태양계에서 토성 다음으로 두 번째로 발견된 고리이다. 현재 13개의 고리가 알려져 있으며, 가장 밝은 고리는 엡실론 고리이다. 천왕성의 고리들은 오래되지 않았을 가능성이 있다. 고리들의 투명도 차이나 틈은 이들이 천왕성과 함께 형성되지 않았음을 시사한다. 고리를 이루는 물질은 고속 충돌이나 조석력으로 인해 부서진 위성의 잔해였을 수 있다.[214]

천왕성의 고리는 크기가 마이크로미터에서 1미터 미만까지 다양한 매우 어두운 입자들로 구성되어 있다.[107] 현재 13개의 고리가 알려져 있으며, 그중 가장 밝은 고리는 ε 고리이다. 천왕성의 두 고리를 제외한 모든 고리는 매우 좁아서 일반적으로 폭이 몇 킬로미터 밖에 되지 않는다. 이 고리들은 아마도 상당히 젊을 것이다. 역학적 고려 사항에 따르면 이 고리들은 천왕성과 함께 형성되지 않았다. 고리의 물질은 한때 고속 충돌로 산산조각난 위성(또는 위성들)의 일부였을 가능성이 있다. 이러한 충돌로 인해 형성된 수많은 파편 중에서 현재 고리의 위치에 해당하는 안정적인 영역에 있는 몇몇 입자만이 살아남았다.[139][138]

윌리엄 허셜은 1789년에 천왕성 주변의 고리로 추정되는 것을 설명했다. 이 관측은 일반적으로 의심스럽게 여겨지는데, 고리가 매우 희미하고 그 후 2세기 동안 다른 관측자들에 의해 관측되지 않았기 때문이다. 그럼에도 불구하고 허셜은 ε 고리의 크기, 지구에 대한 각도, 붉은색, 그리고 천왕성이 태양 주위를 공전할 때의 겉보기 변화에 대한 정확한 설명을 남겼다.[82][83] 고리계는 1977년 3월 10일 제임스 L. 엘리엇, 에드워드 W. 덤, 제시카 밍크가 카이퍼 항공 천문대를 이용하여 확실하게 발견되었다. 이 발견은 우연이었다. 그들은 별 SAO 158687(HD 128598로도 알려짐)의 천왕성에 의한 엄폐를 이용하여 천왕성의 대기를 연구할 계획이었다. 관측 결과를 분석한 결과, 별이 천왕성 뒤에 가려지기 전후에 5번씩 잠시 시야에서 사라졌다는 것을 발견했다. 그들은 천왕성 주위에 고리계가 존재해야 한다고 결론지었다.[140] 나중에 그들은 네 개의 추가적인 고리를 발견했다.[140] 1986년 보이저 2호가 천왕성을 통과했을 때 고리가 직접 촬영되었다.[107] 보이저 2호는 두 개의 추가적인 희미한 고리를 발견하여 총 11개의 고리가 되었다.[107]

2005년 12월, 허블 우주 망원경은 이전에 알려지지 않은 두 개의 고리를 발견했다. 가장 큰 고리는 이전에 알려진 고리보다 천왕성으로부터 두 배나 먼 곳에 위치해 있다. 이 새로운 고리들은 천왕성으로부터 너무 멀리 떨어져 있어 "외부" 고리계라고 불린다. 허블은 두 개의 작은 위성도 발견했는데, 그중 하나인 마브는 가장 바깥쪽에 새로 발견된 고리와 궤도를 공유한다. 새로운 고리로 인해 천왕성의 고리는 총 13개가 되었다.[84] 2006년 4월, 케크 천문대의 새로운 고리 이미지는 외부 고리의 색깔을 보여주었다. 가장 바깥쪽 고리는 파란색이고 다른 하나는 붉은색이다.[141][85] 외부 고리가 파란색인 것에 대한 한 가지 가설은 마브의 표면에서 나온 미세한 물 얼음 입자로 구성되어 있으며, 이 입자는 파란색 빛을 산란시킬 만큼 작다는 것이다.[141][86] 반면에 천왕성의 내부 고리는 회색으로 보인다.[141]

천왕성의 고리는 지구에서 직접 관측하기 매우 어렵지만, 디지털 이미징 기술 발전으로 여러 아마추어 천문학자들이 붉은색 또는 적외선 필터를 사용하여 고리를 성공적으로 촬영할 수 있게 되었다. 구경이 36cm 정도인 망원경도 적절한 이미징 장비를 사용하면 고리를 감지할 수 있다.[87]

위성 외에도 지름 10m 이하의 어두운 물질로 구성된 얇은 고리가 있다. 천왕성의 고리에 대해 처음 언급한 사람은 행성 자체를 발견한 윌리엄 허셜이었다. 허셜은 1789년 2월 22일[180]에 "붉은색" 고리(ε고리로 추정됨)를 관측하고 1797년에 공식적으로 발표했다. 하지만 이 주장은 받아들여지지 않았고, 그 후 약 200년 동안 고리는 관측되지 않았다. 1977년 3월 10일 카이퍼 항공 천문대에서 항성의 엄폐를 관측함으로써 천왕성의 고리가 발견되었다. 그 고리는 어두워서 허셜 시대의 망원경으로는 볼 수 없다고 생각되었지만, 나중에 카시니에 의한 관측에서 토성의 고리가 확산되고 있다는 사실이 밝혀짐에 따라, 허셜은 실제로 천왕성의 고리를 관측했지만 그 후 2세기 동안 고리가 어두워졌을 것이라는 가설이 세워졌다.[181]

천왕성 사진에 나타나는 고리는 일반적으로 선명한 색을 띠고 있지만, 이는 대부분 적외선 영역에서 촬영된 고리를 가시광선 영역 사진과 합성하거나, 사진 자체가 적외선 영역에서 촬영된 것이다. 앞서 설명했듯이 가시광선에서는 매우 어둡기 때문에 고리가 선명하게 촬영되는 경우는 거의 없다.

2007년에는 천왕성의 고리가 지구에서 볼 때 정확히 옆으로 향하는 위치가 되었다.[182] 천왕성에서는 공전 주기의 절반에 해당하는 42년에 한 번씩 발생하는 일이다(고리가 정확히 옆으로 향하는 것은 목성에서는 6년, 토성에서는 15년에 한 번). 또한 위성이나 그 그림자가 행성과 겹치는 것은 목성이나 토성에서는 흔히 볼 수 있는 광경이지만, 이때 허블 우주망원경에 의해 천왕성과 겹치도록 통과하는 위성과 그 그림자의 이미지가 촬영되었다.

6. 탐사

미국 항공우주국(NASA)의 보이저 2호만이 천왕성을 탐사했으며, 현재 다른 탐사 계획은 없다. 1977년에 발사된 보이저 2호는 1986년 1월 24일 천왕성에 가장 가까이 접근했다. 보이저 2호는 천왕성의 대기 구조와 화학 성분을 분석하고, 10개의 새로운 위성을 발견했으며, 97.77°의 축 기울기로 인해 발생하는 천왕성 특유의 기상 상태를 측정했다.[213][224] 또한 천왕성의 5대 위성을 자세히 연구하고, 기존에 알려진 9개의 고리계를 모두 탐사했으며, 2개의 새로운 고리를 발견했다.[213][225] 천왕성의 자기장은 보통과 다른 구조를 보였다.

이후 다른 우주선이 천왕성을 지나간 적은 없지만, 천왕성계를 다시 방문하기 위한 여러 탐사 계획이 있었다. 2009년 임무 연장 계획 단계에서 카시니-하위헌스 호를 토성에서 천왕성으로 보낼 가능성이 평가되었지만, 토성 대기에서 파괴하는 것을 택하면서 최종적으로 거부되었다.[165] 토성을 출발한 후 천왕성계에 도착하는 데 약 20년이 걸렸을 것이기 때문이다.[165] 2011년, 2013~2022년 행성 과학 10년 계획 조사에서 천왕성 궤도선 및 탐사선이 권고되었다. 이 제안은 2020~2023년 발사와 13년간의 천왕성까지 항해를 구상했다.[166] 얼음 거성에 대한 지식 부족으로 인해 2022년에 천왕성 탐사선/궤도선 임무가 최우선 순위에 배치되면서 위원회의 의견이 재확인되었다.[89] 최근에는 2029년에 발사될 중국국가항천국(CNSA)의 ''톈원 4호'' 목성 궤도선이 궤도에 진입하는 대신 중력 도움을 받아 2045년 3월 천왕성을 지나간 후 성간 우주로 향하는 소형 탐사선을 탑재할 계획이다.[8]

일본에서는 1970년대에 N-I 로켓을 사용한 탐사가 검토되었지만,[179] 당시에는 스윙바이 기술이 없었고 관측 위성의 성능이 부족하여 실현되지 못했다.

7. 문화

현대 점성술에서 천왕성(

천왕성 문장
)은 물병자리의 지배 행성이다. 천왕성이 발견되기 전에는 토성이 물병자리의 지배 행성이었다. 천왕성은 청록색이며 전기와 관련이 있으므로, 청록색과 비슷한 전기 청색은 물병자리와 관련이 있다.[90]

1789년 독일 화학자 마르틴 하인리히 클라프로트가 발견한 화학 원소 우라늄은 당시 새로 발견된 천왕성의 이름을 따서 명명되었다.[91]

리디아 시구어니는 1827년 시집에 The Georgian Planet|더 조지안 플래닛영어이라는 시를 수록했다.

"천왕성, 마법사"는 1914년에서 1916년 사이에 작곡된 구스타프 홀스트의 관현악 모음곡 ''행성 (홀스트)''의 한 악장이다.

우라늄 작전은 제2차 세계 대전에서 적군이 스타린그라드를 탈환하기 위해 성공적으로 수행한 군사 작전으로, 독일 국방군에 대한 육상전의 전환점이 되었다.

존 키츠의 "채프먼의 호머를 처음 읽고"에 나오는 "그때 나는 마치 하늘을 바라보는 관찰자처럼 느꼈네/새로운 행성이 그의 시야에 들어올 때"라는 구절은 허셜이 천왕성을 발견한 것을 가리킨다.[92]

천왕성은 10대 천체 중 하나이지만, 근대(18세기)에 발견되었기 때문에 칠요·구요에는 포함되지 않는다. 서양 점성술에서는 물병궁(물병자리)의 수호성(천왕성이 발견되기 전에는 토성이 수호성이었다)이며, 해왕성이나 명왕성과 마찬가지로 “상식 밖의 일”이나 “잠재적인 일”을 나타낸다고 여겨지는 “트랜스사투르니안(토성 외의 천체)”이라 불리는 행성 중 하나이고, 흉성(말레픽)이다. 서양 점성술에서 천왕성은 “창조와 개혁의 행성”이라고도 불리며, 공전 주기가 약 84년이므로 하나의 별자리 사이를 약 7년 만에 이동하기 때문에 한 시대의 새로운 방향성에 영향을 주는 별로 여겨지고, “인생에 일어나는 돌발적인 사건”이나 “해프닝” 등을 나타낸다고 여겨진다. 상징하는 키워드는 “변화”, “혁신”, “독자성”, “독립”, “진보”, “자유”, “유니크함”, “혁명”, “폭발적인 힘”, “발명”, “전문성”, “미래”, “분열” 등이며, 상징하는 인물은 “발명가”, “과학자”, “박애주의자” 등이 있다.[183][184]

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[193] 문서 I don't know what to call it. It is as likely to be a regular planet moving in an orbit nearly circular to the sun as a Comet moving in a very eccentric ellipsis. I have not yet seen any coma or tail to it
[194] 문서 RAS MSS Herschel W1/13.M, 14 quoted in Miner p. 8
[195] 논문 Recherches sur la nouvelle planete, decouverte par M. Herschel & nominee Georgium Sidus
[196] 문서 a moving star that can be deemed a hitherto unknown planet-like object circulating beyond the orbit of Saturn
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[199] 문서 엄밀히 말해, 양 극이 집중적으로 태양을 향하는 나머지 기간은, 구르는 적도면이 주로 태양을 받게 된다.
[200] 문서 오히려 지극히 당연한 일이다. 공전주기 84년 중 21년 씩, 양 극이 번갈아 받고, 나머지 42년은 구르는 적도면이 골고루 태양을 받기 때문이다.
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