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천왕성의 위성

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1. 개요

천왕성의 위성은 1787년 윌리엄 허셜에 의해 티타니아와 오베론이 처음 발견된 이후, 여러 차례 추가 발견을 통해 현재 27개가 확인되었다. 이들은 내위성, 주요 위성, 불규칙 위성으로 분류되며, 고리와 밀접한 관련을 맺고 있다. 주요 위성으로는 미란다, 아리엘, 움브리엘, 티타니아, 오베론이 있으며, 이들은 암석과 얼음으로 구성되어 있다. 불규칙 위성은 천왕성에서 멀리 떨어진 궤도를 돌며, 궤도 경사각과 이심률에 따라 두 그룹으로 나뉜다. 위성들의 이름은 윌리엄 셰익스피어와 알렉산더 포프의 작품에서 유래되었다.

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천왕성의 위성
천왕성 위성
천왕성
천왕성
발견
총 위성 수27개
가장 최근 발견임시 명칭: S/2023 U1
이름 부여: 미정
발견일: 2023년
고리
천왕성 고리13개
명칭
명명 규칙윌리엄 셰익스피어와 알렉산더 포프의 작품 등장인물
목록
주요 위성미란다
아리엘
움브리엘
티타니아
오베론
불규칙 위성마브
페르디난드
세테보스
스테파노스
트린큘로
기타 위성코델리아
오필리아
비앙카
크레시다
데스데모나
줄리엣
포셔
로잘린드
벨린다

큐피드
로미오
수성
프란시스코
칼리반
마가렛
S/2023 U1

2. 발견

윌리엄 허셜1787년 1월 11일 티타니아오베론을 최초로 발견한 이후,[95] 거의 한 세기 동안 천왕성의 위성은 추가로 발견되지 않았다. 1948년 제러드 카이퍼미란다를 발견했고,[104][97] 1986년 보이저 2호가 플라이바이를 수행하면서 10개의 내위성을 추가로 발견했다.[114] 1999년에는 보이저 2호의 오래된 사진을 연구하던 중 페르디타가 발견되었다.[106][107]

1997년 이후 지상 망원경과 허블 우주망원경을 이용하여 불규칙 위성들이 추가로 발견되었다.[110][108] 2003년에는 허블 우주 망원경으로 큐피드와 마브가 발견되었다.[108] 2016년에는 마가렛이,[109] 2024년에는 S/2023 U 1이 가장 최근에 발견되었다.

2. 1. 초기 발견

윌리엄 허셜천왕성을 발견하고 6년이 지난 1787년 1월 11일 천왕성의 위성 티타니아오베론을 최초로 발견했다.[95] 이후 허셜은 천왕성의 위성을 전부 여섯 개 찾아냈으며 고리까지도 발견했다고 생각했다. 이후 거의 50년 동안 천왕성의 위성은 추가되지 않았다.[95] 1840년대에 밤하늘 천왕성이 보다 관측하기 좋은 위치에 자리잡았으며 망원경 성능도 향상된 것에 힘입어 티타니아와 오베론 외에 위성들이 더 존재할 것임을 예측케 하는 단서들이 잡히게 된다. 결국 1851년 윌리엄 라셀아리엘움브리엘 두 위성을 추가로 발견했다.[103] 천왕성의 위성에 붙이는 로마 숫자 체계는 제법 오랫동안 유동적인 상태에 있었다. 간행물들에서는 허셜의 명칭(티타니아와 오베론은 각각 천왕성 II, IV)과 윌리엄 라셀의 명칭(각각 천왕성 I, II) 사이를 왔다갔다했다.[96] 아리엘과 움브리엘의 존재가 확정되면서 라셀은 천왕성에서 가까운 위성부터 바깥쪽으로 I ~ IV 기호를 붙였고 이것이 최종적으로 확정되었다.[130] 1852년 윌리엄 허셜의 아들 존 허셜은 당시 발견된 천왕성의 위성 넷에 고유 명칭을 붙였다.[104]

2. 2. 보이저 2호의 탐사

보이저 2호는 1986년 1월 플라이바이 수행 중 천왕성의 내위성 10개를 발견했다.[114] 1999년에는 보이저 2호의 오래된 사진들을 연구하던 중 새로운 위성 페르디타가 발견되었다.[106][107]

2. 3. 불규칙 위성의 발견

1997년 시코락스와 캘리번이 지상 망원경을 통해 발견되기 전까지, 천왕성은 알려진 불규칙 위성이 없는 마지막 거대 행성이었다. 1999년부터 2003년까지 천문학자들은 더 강력한 지상 망원경을 사용하여 천왕성의 불규칙 위성을 계속 탐색하여 7개를 추가로 발견했다.[20] 2003년에는 허블 우주망원경을 사용하여 2개의 작은 내부 위성인 큐피드와 마브도 발견되었다.[19] 2021년과 2023년, 스콧 셰퍼드와 동료들은 마우나 케아, 하와이의 스바루 망원경을 사용하여 천왕성의 불규칙 위성 하나를 더 발견했으며, 추가로 5개의 후보가 발표를 기다리고 있다.[43][44][45]

2. 4. 가짜 위성

윌리엄 허셜은 1787년 1월 11일 티타니아오베론을 발견한 후, 1790년 1월 18일과 2월 9일, 1794년 2월 28일과 3월 26일에 각각 두 개씩 총 네 개의 위성을 더 발견했다고 주장했다.[116] 이후 수십 년 동안 천왕성이 여섯 개의 위성을 가진다고 믿어졌으나, 허셜 외 다른 천문학자들은 이 위성들을 확인하지 못했다.

1851년 윌리엄 라셀아리엘움브리엘을 발견했지만, 이들은 허셜이 주장한 위성과 궤도 특성이 일치하지 않았다. 허셜이 티타니아와 오베론 외 다른 위성을 보았다면 아리엘과 움브리엘도 발견했을 것이기에, 결국 허셜이 발견했다고 믿었던 네 위성은 실제로 존재하지 않는 것으로 밝혀졌다. 이 위성들의 공전 주기는 각각 5.89일(티타니아 안쪽), 10.96일(티타니아와 오베론 사이), 38.08일, 107.69일(둘 다 오베론 바깥쪽)로 추정되었다.[116] 허셜은 천왕성 주변의 희미한 별들을 위성으로 착각했던 것으로 보이며, 아리엘과 움브리엘의 발견자 자격은 라셀에게 돌아갔다.[115]

3. 이름

1787년 천왕성의 위성 두 개가 처음 발견되었지만, 이들에 이름이 붙은 때는 위성 두 개가 추가로 발견된 해의 바로 다음 해인 1852년이었다. 윌리엄 허셜의 아들 존 허셜이 위성 작명을 맡았으며 그는 그리스 신화 인물들의 이름 대신 영국 문학 작품에 나오는 정령들의 이름을 위성들에 붙였다. 예를 들면 오베론티타니아윌리엄 셰익스피어의 《한여름 밤의 꿈》에서, 실프 아리엘노움 움브리엘알렉산더 포프의 《머리타래의 겁탈》(아리엘은 셰익스피어의 《템페스트》에 나오는 요정의 이름이기도 하다.)에서 따온 이름들이다. 공기의 정령들이 하늘과 공기의 신 우라노스를 곁에서 모시고 있으리라는 게 존 허셜이 이런 명칭들을 선정한 논리 같다.[98]

이후 명칭들은 과 매브를 제외하고 '공기의 요정'이 아니라 다른 등장인물들의 이름을 따 오게 된다. 1949년 제러드 카이퍼는 다섯 번째 위성을 발견한 뒤 셰익스피어의 《템페스트》에 등장하는 필멸자(必滅者) 미란다를 위성의 이름으로 선정했다. 현재 국제천문연맹은 관례상 천왕성의 위성 이름은 셰익스피어의 희곡들 및 알렉산더 포프의 《머리타래의 겁탈》에 등장하는 인물들의 명칭을 붙이고 있다. 다만 현재 아리엘, 움브리엘, 벨린다 셋만이 포프의 작품에서 유래한 명칭이며 나머지는 전부 셰익스피어의 작품에서 가져온 이름들이다. 초창기에는 제일 바깥쪽 궤도를 도는 위성들에 《템페스트》의 등장인물 이름만을 붙였으나, 《헛소동》에서 마가렛 명칭을 가져온 이후 템페스트에서만 이름을 찾던 경향은 끝났다.[104]

천왕성의 위성 이름은 다음 작품들에서 따왔다.

작품위성
《머리타래의 겁탈》 (알렉산더 포프의 시)아리엘, 움브리엘, 벨린다
윌리엄 셰익스피어의 희곡
한여름 밤의 꿈티타니아, 오베론,
《템페스트》아리엘, 미란다, 칼리반, 시코락스, 프로스페로, 세테보스, 스테파노, 트린쿨로, 프란시스코, 페르디난드
리어왕코델리아
햄릿오펠리아
말괄량이 길들이기비앙카
트로일러스와 크리세이드크레시다
오셀로데스데모나
로미오와 줄리엣줄리엣, 마브
베니스의 상인포르티아
《좋을 대로 하시든지》로살린드
헛소동마가렛
겨울 이야기페르디타
아테네의 타이먼큐피드



171 오펠리아, 218 비안카, 593 티타니아, 666 데스데모나, 763 큐피도, 2758 코델리아 등 일부 소행성들은 천왕성의 위성들과 이름을 공유하고 있다.

4. 특징 및 집단

천왕성의 위성-고리 계(系).


천왕성의 위성계는 가스 행성들의 위성계 중 가장 질량이 작다. 실제로 상위 5개 위성들의 질량을 모두 합쳐도 트리톤의 절반에도 미치지 못한다.[127] 가장 큰 위성인 티타니아의 반지름은 788.9km로[131] 의 절반이 되지 않지만, 레아보다 약간 커서 태양계에서 8번째로 큰 위성이다. 천왕성의 질량은 위성들 전체 질량의 대략 1만 배이다.

천왕성의 위성은 크게 내위성, 주요 위성, 불규칙 위성으로 나눌 수 있다.

  • 내위성: 미란다 안쪽 궤도를 돌고 있으며, 천왕성의 고리와 밀접하게 연관되어 있다.
  • 주요 위성: 미란다, 아리엘, 움브리엘, 티타니아, 오베론으로, 비교적 크기가 크고 자체적인 지질 활동의 흔적을 보인다.
  • 불규칙 위성: 오베론 바깥쪽에서 멀리 떨어져 불규칙한 궤도를 돌고 있으며, 대부분 천왕성 생성 초기에 포획된 것으로 추정된다.

4. 1. 내위성

2024년 기준으로 천왕성은 미란다 궤도 안쪽에 13개의 내위성을 가지고 있는 것으로 알려져 있다.[19] 내위성들은 천왕성의 고리와 밀접하게 연결되어 있는데, 고리들은 하나 또는 여러 개의 작은 내위성들이 산산조각나서 생긴 것으로 보인다.[28]

내위성은 유사한 궤도 거리를 기준으로 두 그룹으로 분류된다.[19][46]

가장 안쪽에 있는 두 위성인 코델리아와 오필리아는 천왕성의 ε 고리의 양치기 위성이며, 작은 위성 마브는 천왕성의 가장 바깥쪽 μ 고리의 물질 공급원이다.[19] 천왕성의 α, β 고리 바깥쪽 약 100km 지점에 반지름 2~7km 크기의 아직 발견되지 않은 작은 양치기 위성이 존재할 것으로 추측된다.[6]

은 지름 162km로 내위성들 중 제일 크며, 내위성들 중 보이저 2호가 유일하게 상세한 사진을 촬영한 천체이다. 퍽과 마브는 내위성들 중 최외곽을 돌고 있다. 내위성들은 모두 어두운 색을 띠며 기하학적 알베도는 10%가 되지 않는다.[16] 이들을 이루는 물의 얼음은 검은 물질로 더럽혀져 있는데, 이 검은 물질은 방사선의 영향을 받은 유기물로 추정된다.[27]

작은 내위성들은 꾸준히 서로를 교란하고 있다. 내위성계는 혼란스러우며 확연하게 불안정하다.[34] 시뮬레이션 결과 내위성들이 서로를 흔들어 궤도가 엇갈리다가 결국 서로 충돌하게 되는 것으로 나왔다.[19] 데스데모나는 1억 년 이내로 크레시다나 줄리엣과 충돌할 가능성이 있다.[7] 큐피드는 향후 1000만 년 안에 벨린다와 충돌할 가능성이 있으며, 퍼디타와 줄리엣도 이후의 충돌에 연루될 수 있다.[8]

4. 2. 주요 위성

천왕성과 6개의 가장 큰 위성을 적절한 상대적 크기와 정확한 순서로 비교. 왼쪽부터: , 미란다, 아리엘, 움브리엘, 티타니아, 오베론


천왕성을 공전하는 특히 큰 5개의 위성의 상대적인 크기를 나타낸 이미지. 왼쪽부터 미란다, 아리엘, 움브리엘, 티타니아, 오베론.


천왕성은 미란다, 아리엘, 움브리엘, 티타니아, 오베론의 다섯 개 주요 위성을 가지고 있다. 이 위성들의 지름은 미란다의 472 km부터 티타니아의 1578 km까지 다양하다.[131]

이들은 모두 상대적으로 어두운데, 기하학적 반사율은 30 ~ 50%, 본드 반사율은 10 ~ 23% 사이이다.[105] 움브리엘이 가장 어둡고 아리엘이 가장 밝다. 위성들의 질량은 미란다의 6.7 × 1019 kg부터 티타니아의 3.5 × 1021 kg에 이른다. 참고로 의 질량은 7.5 × 1022 kg이다.[112]

천왕성의 주요 위성들은 강착원반에서 태어난 것으로 추정되는데, 이 원반은 천왕성이 생성된 후 얼마 동안 행성 주변에 존재했거나, 천왕성이 생애 초기에 겪은 대형 충돌사건으로 생겨난 것으로 보인다.[129][100]

주요 위성들은 암석얼음이 거의 비슷한 비율로 섞여 구성되어 있지만, 미란다는 예외적으로 얼음이 대부분을 차지한다.[113] 이 얼음에는 암모니아일산화탄소가 섞여 있을 수 있다.[125]

위성 (아리엘, 움브리엘, 타이타니아, 오베론, 미란다) 모델링 (2023년 5월 4일)


이들의 표면은 충돌구로 가득하지만, 움브리엘을 제외한 모든 위성이 리니어먼트(미란다의 경우 코로나로 불리는 계란 모양 지형) 구조를 지니고 있어, 내부 활동을 통해 표면 지형을 바꾸고 있는 것으로 보인다.[114] 솟아오르는 다이어피어와 관련된 확장 과정이 미란다 코로나 지형의 원인일 가능성이 있다.[122] 아리엘 표면은 충돌구가 가장 적어 제일 젊고, 반대로 움브리엘의 표면은 다섯 위성 중 가장 오래된 것 같다.[114]

미란다와 움브리엘의 과거 3:1 궤도공명과 아리엘과 티타니아의 과거 4:1 공명이 열을 발생시켜, 미란다와 아리엘이 내부적으로 활동하는 원인이 된 것으로 보인다.[123][124] 과거에 공명이 있었다는 증거 중 하나는, 미란다가 천왕성에 가까이 있는 천체 치고 궤도 경사각이 비정상적으로 크다(4.34°)는 것이다.[101][102]

천왕성의 주요 위성들은 구성 물질들이 내부에서 분화되어, 중심부에 있는 암석 핵을 얼음 맨틀이 둘러싸고 있을 것이다.[113] 티타니아와 오베론은 중심핵과 맨틀의 경계에 액체 상태의 물을 지닐 수도 있다.[113] 주요 위성들에는 대기가 없어서 티타니아의 경우 대기압이 10 ~ 20 나노바 미만이다.[128]

천왕성의 북반구가 여름을 맞이하고 있는 시기에, 위성의 적도상에서 북쪽을 바라볼 때 관측되는 태양의 움직임을 나타낸 그림


천왕성과 그 주요 위성들의 하지 때 하늘에서 태양이 이동하는 경로는 여타 태양계 내 천체들과 매우 다르다. 주위성들의 자전축 기울기는 천왕성과 거의 같다.(주위성들의 자전축은 천왕성의 자전축과 평행하다.)[114] 태양은 천왕성의 천구 극 근처에서 원형 경로를 따라 움직이는 것처럼 보이며, 천구 극점과의 거리는 7도 정도(최솟값)일 것이다.

4. 3. 불규칙 위성

2005년 기준으로 천왕성은 불규칙 위성 아홉 개를 거느리고 있으며, 이들은 주요 위성 중 가장 바깥쪽을 도는 오베론보다도 훨씬 먼 거리에서 천왕성을 공전하고 있다. 이 불규칙 위성들은 모두 천왕성이 생성된 직후 포획된 천체로 추정된다.[110] 천왕성의 힐 구 반지름은 대략 73억km이다.[110]

불규칙 위성들의 크기는 120km~200km(시코락스)부터 약 20km(트린쿨로) 범위에 걸쳐 있다.[110] 목성과는 달리 천왕성의 불규칙 위성들에서는 자전축과 경사각의 상관관계가 나타나지 않는다. 대신 역행 공전 위성들은 자전축/공전궤도 이심률에 따라 두 무리로 나뉜다. 내부군은 천왕성에 더 가깝고(a < 0.15 rH) 이심률이 상대적으로 작으며(~0.2) 구성원으로는 프란시스코, 칼리반, 스테파노, 트린쿨로가 있다.[110] 외부군(a > 0.15 rH)은 이심률이 높으며(~0.5) 구성원으로 시코락스, 프로스페로, 세테보스, 페르디난드가 있다.[110]

궤도경사각이 60° < i < 140°인 영역에는 현재까지 발견된 위성이 없는데, 이는 코자이 불안정성 때문이다.[110] 경사각이 이 불안정 영역 안에 있는 위성은 원점에서 태양 섭동을 받으면 궤도이심률이 커져서 다른 내위성들과 충돌하거나 계 밖으로 튕겨 나가게 된다. 위성들이 이 영역에 머무르는 시간은 1천만 년에서 10억 년 사이이다.[110]

마가렛은 천왕성의 불규칙 위성들 중 유일하게 순행 방향으로 공전하고 있으며, 현재 태양계에 있는 어떤 위성보다도 심하게 찌그러진 궤도를 돌고 있다. 다만 평균 궤도이심률은 해왕성의 위성 네레이드가 더 높다. 2008년 기준으로 마가렛의 궤도 이심률은 0.7979이다.[121]

M


천왕성의 불규칙 위성은 120km~200km(시코락스)에서 10km 미만(S/2023 U 1)까지 크기가 다양하다.[48] 알려진 천왕성 불규칙 위성의 수가 적기 때문에, 아직 궤도 특성이 유사한 그룹에 속하는 위성이 무엇인지 파악하기 어렵다. 천왕성의 불규칙 위성 중 유일하게 알려진 그룹은 칼리반 그룹으로, 600만km~700만km 사이의 궤도 거리와 141°–144° 사이의 경사각에 밀집되어 있다.[44] 칼리반 그룹에는 세 개의 역행 위성인 칼리반, S/2023 U 1, 스테파노가 포함된다.[44]

5. 목록

천왕성의 위성들
순서레이블이름사진지름 (km)질량 ( kg)공전궤도 반지름 (km)[119]공전주기 (d)[119]궤도경사각 (°)[119]궤도이심률[120]발견연도[111]발견자[111]
1코델리아
1986테릴
(보이저 2호)
2오펠리아
1986테릴
(보이저 2호)
3비앙카
1986스미스
(보이저 2호)
4크레시다
1986시넛
(보이저 2호)
5데스데모나
1986시넛
(보이저 2호)
6줄리엣
1986시넛
(보이저 2호)
7포르티아
1986시넛
(보이저 2호)
8로살린드
1986시넛
(보이저 2호)
9큐피드
2003쇼월터,
Lissauer
10벨린다
1986시넛
(보이저 2호)
11페르디타
1999Karkoschka
(보이저 2호)
12
1985시넛
(보이저 2호)
13마브
2003쇼월터, Lissauer
14미란다
1948카이퍼
15아리엘
1851라셀
16움브리엘
1851라셀
17티타니아
1787허셜
18오베론
1787허셜
19프란시스코
147.459°2003홀맨 외
20칼리반
139.885°1997글래드맨 외
21스테파노
141.873°1999글래드맨 외
22트린쿨로166.252°2001홀맨 외
23시코락스
152.456°1997니콜슨 외
24마가렛2003셰퍼드, 제빗
25프로스페로
146.017°1999홀맨 외
26세테보스
145.883°1999Kavelaars 외
27페르디난드167.346°2003홀맨 외



기호 설명표

내부 위성
 

주요 위성
 

불규칙 위성 (역행)

불규칙 위성 (순행)



발견된 순서대로 정렬된 천왕성의 위성은 다음과 같다.


  • 1787년: 윌리엄 허셜티타니아오베론을 발견했다.
  • 1851년: 윌리엄 라셀아리엘움브리엘을 발견했다.
  • 1948년: 제러드 카이퍼미란다를 발견했다.
  • 1985년 ~ 1986년: 보이저 2호가 코델리아, 오펠리아, 비앙카, 크레시다, 데스데모나, 줄리엣, 포르티아, 로살린드, 벨린다, 을 발견했다.
  • 1999년: 에리히 카르코슈카가 보이저 2호의 사진을 분석하여 페르디타를 발견했다.
  • 1997년: 지상 망원경을 통해 칼리반, 시코락스가 발견되었다.
  • 1999년: 지상 망원경을 통해 프로스페로, 세테보스, 스테파노가 발견되었다.
  • 2001년: 지상 망원경을 통해 트린쿨로, 프란시스코, 페르디난드가 발견되었다.
  • 2003년: 허블 우주 망원경을 통해 큐피드, 마브, 마가렛이 발견되었다.


1948년 제러드 카이퍼미란다를 발견한 이후, 1986년 보이저 2호가 플라이바이를 수행하기 전까지 거의 한 세기 동안 천왕성의 위성은 추가로 발견되지 않았다. 보이저 2호는 10개의 내위성을 발견했으며, 1999년에는 오래된 보이저 사진을 연구하여 페르디타를 발견했다.[106][107]

1997년 이후 지상 망원경과 허블 우주 망원경을 이용하여 불규칙 위성들이 추가로 발견되었다.[110][108]

참조

[1] 간행물 On the Satellites of Uranus 1834
[2] 간행물 Observations of Satellites of Uranus 1848
[3] 뉴스 Science in Review: Research Work in Astronomy and Cancer Lead Year's List of Scientific Developments https://query.nytime[...] 1948-12-26
[4] 간행물 Beobachtungen der Uranus-Satelliten 1852
[5] 웹사이트 The Shakespearean Moons of Uranus https://www.folger.e[...] Folger Shakespeare Library 2014
[6] 간행물 Are there moonlets near Uranus' alpha and beta rings?
[7] 웹사이트 Uranus's colliding moons http://www.astronomy[...] astronomy.com 2017-09-23
[8] 간행물 Cupid is doomed: An analysis of the stability of the inner uranian satellites 2012-08
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