태양계의 마지막 행성은 무엇일까요? 이 질문에 해왕성이라고 바로 대답하는 분들도 있고 머릿속에서 명왕성을 먼저 떠올리고 정정하는 과정을 거치는 분들도 있을 것입니다. 명왕성이 70년 이상 태양계의 마지막 행성으로 여겨졌던 것에 비하면 그 자리를 해왕성에 내준 것은 비교적 최근의 일이기 때문입니다.
해왕성은 언제부터 태양계의 마지막 행성이 되었을까요?어떤 수수께끼를 안고 있을까요? 행성 이야기 시리즈 최종화! 태양계의 끝 미지의 행성, 해왕성의 이야기를 전해드립니다.
해왕성은 어떤 행성일까.
- 자료 참고: NASANeptune FactSheet 해왕성은 태양에서 8번째로 멀리 떨어진 행성입니다. 2000년대 초까지만 해도 9번째 행성으로 명왕성이 있었으나 2006년 명왕성이 왜행성(왜소행성, dwarfplanet)으로 분류되면서 해왕성이 태양계 마지막 행성이 되었습니다.
- 그럼 태양과 해왕성의 거리는 얼마나 될까요? 약 44억 7100만 km로, 이는 태양과 지구 거리의 약 30배에 해당합니다. 태양과의 거리가 멀기 때문에 해왕성의 표면 온도는 매우 낮습니다. 무려 -218도에 이른다고 합니다. 이 정도면 태양계에서 가장 차가운 행성이라고 생각하기 쉽지만 사실 태양에 가까운 천왕성의 온도가 조금 낮아요. 그 이유는 해왕성 내부에서 천왕성보다 높은 열이 발생하기 때문입니다. 왜 그런 열이 발생하는지는 밝혀지지 않았다고 합니다.
천왕성과 해왕성
천왕성(왼쪽)과 해왕성(오른쪽)의 비교 화상/출처: wikimediacommons 해왕성은 천왕성과 비슷한 부분이 많습니다. 둘 다 수소·헬륨·메탄 대기층과 얼음 맨틀층으로 구성된 거대 얼음 행성(icegiant)이면서 크기와 질량도 비슷합니다. 파란색을 띠는 모습도 비슷해요. 이것은 대기 중의 메탄이 태양광의 적색광을 흡수하여 청색광을 반사하여 만들어내는 색상입니다.
그러나 위의 이미지처럼 천왕성보다 해왕성의 색이 어둡고 진하여 전체적으로 흐릿한 해왕성과 달리 천왕성은 구름이나 흑점 등이 현저하게 나타납니다. 이런 차이가 나타나는 이유는 해왕성의 대기활동이 더 역동적이기 때문입니다.
해왕성의 대흑점(왼쪽 위), 스쿠터(중간), 소흑점(아래) 이미지/출처: wikimediacommons 해왕성의 대기는 매우 변화무쌍하여 최대풍속은 600m/s에 달한다고 합니다. 이로 인해 국지적으로 나타나는 폭풍인 대흑점이나 소흑점, 스쿠터 등의 기상 현상이 활발하게 일어납니다.
한편 천왕성과 해왕성의 대기에는 뿌연 연무층이 존재합니다. 이 연무층에서는 메탄 얼음 입자가 응축되어 눈으로 내립니다. 그런데 해왕성의 역동적인 대기는 메탄 얼음 입자를 더 활발하게 응축시켜 더 많은 눈을 만들어 냅니다. 결과적으로 연무 입자가 눈으로 내려 제거되고 연무층이 얇아지면서 더 진한 파란색이 나타나는 것입니다. 반면 천왕성은 대기가 상대적으로 정체되어 있기 때문에 연무가 두꺼워지고 연한 하늘색으로 보이는 것입니다.
관측 시기에 따른 해왕성의 밝기 차이/출처: NASA Hubblesite 해왕성의 기상 변화는 계절에도 영향을 받습니다. 위의 이미지를 보면 2002년 관측 자료에서 남반구의 구름이 증가하여 이전보다 밝게 보이는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 계절의 변화에 따른 것으로 추측된다고 합니다. 해왕성은 자전축의 기울기가 지구와 비슷하고(지구는 23.44˚/해왕성은 28.32˚), 지구와 비슷한 계절적 변화가 발생할 것으로 예상되기 때문입니다. 그런데 공전 주기가 약 164년이기 때문에 한 계절이 40년 이상 지속된다는 말씀이시군요.
보이저 2호가 촬영한 해왕성의 고리/출처: wikimediacommons 행성의 고리는 토성밖에 없다고 생각하는 분들이 많은데 태양계의 외계 행성(목성, 토성, 천왕성, 해왕성)은 모두 고리를 가지고 있습니다. 다만 목성, 천왕성, 해왕성의 고리는 매우 얇기 때문에 중요하지 않습니다. 해왕성의 고리도 매우 약해서 대부분이 먼지로 구성되어 있다고 합니다.
해왕성의 위성
트리톤 이미지/출처: wikimedia commons 해왕성의 위성은 총 14개로 알려져 있으며, 그 중 가장 큰 위성은 트리톤(Triton)입니다. 트리톤의 흥미로운 특징 중 하나는 ‘역행 궤도’에서 공전한다는 점입니다. 일반적으로 행성의 위성은 모성의 자전 방향과 같은 방향으로 공전하는 반면 트리톤은 해왕성이 자전하는 반대 방향으로 공전합니다.
트리톤 이외에도 목성이나 토성의 외부 불규칙 위성, 천왕성의 외부 위성의 일부처럼 역행 궤도 위성이 존재합니다. 하지만 트리톤처럼 거대하고 모성에 가까운 위치에서 역행 궤도에서 공전하는 위성은 트리톤이 유일하다고 합니다. 트리톤을 제외한 역행 궤도 위성 중 가장 큰 피비(Phoebe)와 비교해 보면 지름은 트리톤의 8%, 질량은 0.03%에 불과하다고 하니 트리톤이 얼마나 특별한 위성인지 알 수 있습니다.
해왕성의 관측과 탐사
해왕성은 태양계 행성 중 유일하게 지구상에서 맨눈으로는 볼 수 없는 행성입니다. 망원경의 도움을 받아야 관측 가능합니다. 해왕성의 최대 외관 등급이 7.67로 매우 어둡기 때문입니다.
겉보기 등급은 특정 기준점에서 보이는 천체의 밝기를 측정하는 단위로 숫자가 낮을수록 밝다는 뜻입니다.(반대로 천체 고유의 밝기는 ‘절대 등급’으로 표시합니다.) 예를 들어 지구를 기준으로 태양의 외형 등급은 -26.74, 보름달 -12.90, 금성 -4.14, 화성 0.71이며, 외형 등급 3~4까지는 맑은 날에 도시에서 희미하게 볼 수 있는 밝기에 속합니다. 이보다 어두운 천체는 광해가 없는 환경에서만 관측할 수 있습니다.
그런데 아무리 어두운 환경이라도 평균적인 사람의 시력으로 볼 수 있는 천체에는 한계가 있습니다. 일반적으로 이 한계를 겉보기 등급 6.50 정도라고 생각하는데요. 겉보기 7.67의 해왕성은 당연히 보이지 않겠죠? 참고로 천왕성의 겉보기 등급은 5.68로 해왕성에 비하면 밝은 편입니다.
요한 고트프리트 갈레가 해왕성을 발견할 때 사용한 프라운호퍼 망원경/출처: flickr 그래서 해왕성의 발견에도 많은 우여곡절이 있었습니다. 관측에서 발견된 다른 행성과 달리 해왕성은 수학적 계산에 의해 먼저 예측되었습니다. 망원경이 발명된 후 해왕성을 관측한 기록은 다소 있었지만 대부분 행성으로 인식하지 못해 별 중의 하나로 여겨졌다고 합니다. 행성으로 판단할 수 있는 특징을 관측하기 어려운 이유 때문일 것입니다.
행성으로서 해왕성의 존재를 처음 가정한 사람은 프랑스 천문학자 알렉시스 부바르(Alexis Bouvard. 그는 1821년에 천왕성의 궤도를 기록한 천문표를 출판했습니다. 이후 관측한 궤도에서 예기치 못한 변화가 생긴 것을 보고 중력 상호작용을 일으키는 천체가 있을 것이라는 가설을 세웠습니다.
이후 1845년 영국의 존 쿠치 아담스(John Couch Adams)와 프랑스의 율방 르베리에(Urbain Le Verrier)는 비슷한 시기에 천왕성 궤도의 불규칙성을 기반으로 해왕성의 위치를 계산했습니다. 아담스의 데이터는 그리니치 왕립 천문대의 로열 조지 비델 에어리(Royal George Biddel Airy)에게, 르베리의 데이터는 베를린 천문대의 요한 고트프리트 갈레(Johann Gottfried Galle)에게 전달되었습니다. 1846년 9월 23일 가래가 먼저 해왕성 관측에 성공합니다.
해왕성의 발견 공로에 대해서는 여러 의견이 있지만 일반적으로 아담스와 르베리에, 갈레의 공로를 함께 인정하는 경우가 많다고 합니다.
보이저 2호가 촬영한 해왕성 상층 고도의 구름대/출처: wikimediacommons 발견이 어려웠던 만큼 해왕성은 연구도 쉽지 않았습니다. 거리가 너무 멀어서 외형의 크기가 작고 망원경으로는 시각적으로 얻을 수 있는 정보가 한정되어 있었기 때문입니다. 지금처럼 해왕성에 대한 풍부한 자료를 획득하는 데는 보이저 2호 임무의 공적이 컸습니다.
보이저 2호는 현재까지 해왕성에 접근한 유일한 탐사선입니다. 1977년 8월 20일에 발사되어 12년 후인 1989년 8월 25일에 해왕성에서 4,951km 떨어진 지점까지 접근했습니다. 해왕성과 위성의 다양한 이미지 촬영, 고리 발견, 6개의 새로운 위성 확인 등 지구 기반 망원경으로 확인할 수 없었던 다양한 데이터를 전송해 주었습니다.
1990년대 중반 이후에는 허블우주망원경과 적응광학을 사용한 지상망원경이 도입되어 지구에서도 다방면에서 해왕성을 연구할 수 있게 되었습니다. 앞으로 어떤 수수께끼가 풀릴지 기대가 되네요.
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행사일정 행사기간 : 2022.09.15(목)~2022.09.30(금) 당첨자 발표 : 2022.10.07(금) 한화에어로스페이스 공식블로그
지금까지 발견한 외계 행성에서 해왕성을 닮은 거대 얼음 행성의 비율은 35%에 달한다고 합니다. 그만큼 해왕성은 태양계 외계행성 연구에 중요한 열쇠를 쥐고 있을 것으로 기대됩니다. 해왕성에 대한 비밀이 한 겹으로 풀릴수록 우리 우주에 대한 이해도 더욱 넓어질 것입니다.