목차
● 태양계의 8번째 행성, 해왕성
● 해왕성의 발견
● 해왕성의 기후
태양계의 8번째 행성, 해왕성
해왕성은 태양계의 8개 행성 중 8번째 행성입니다. 해왕(海王)은 '바다의 왕'이라는 한자어로, 포세이돈(그리스의 신화명) 또는 넵투누스(로마의 신화명)를 번역한 것입니다. 해왕성은 8개 행성 중에서 직경으로는 4번째로 크고, 질량으로는 3번째로 큽니다. 해왕성의 질량은 지구의 약 17배, 질량이 지구의 약 15배인 쌍둥이 행성 천왕성보다 약간 더 무겁습니다. 해왕성과 태양의 평균 거리는 약 45억 1,300만 km이고, 지구와 태양 사이 거리의 약 30배에 해당합니다. 천문 기호는 포세이돈의 트라이던트(삼지창)를 형상화한 것입니다.
해왕성은 맨눈으로는 볼 수가 없기 때문에 경험적인 관측이 아닌 수학적 계산으로 발견된 태양계 행성 중 유일한 행성입니다. 천왕성의 궤도에 예기치 않은 변화가 생기자 알레시 부봐르는 천왕성의 궤도가 발견되지 않은 행성의 중력 섭동에 영향을 받고 있다고 추론하였습니다. 그 후 1840년대에 위르뱅 르베리에가 그 행성의 궤도를 예측하였고, 1846년에 요한 고트프리트 갈레가 르베리에가 예측했던 위치 범위 안에서 해왕성을 관측했습니다. 얼마 후에 해왕성의 1위성인 트리톤이 발견되었지만, 나머지 13개의 위성들은 19세기가 다 가도록 발견되지 못했습니다. 해왕성을 방문한 우주선은 1989년 8월 25일에 해왕성을 접근 통과한 보이저 2호 하나뿐입니다.
해왕성의 구성 성분은 천왕성과 많은 부분 비슷하며, 목성이나 토성 같은 거대 가스 행성들과는 구분되는 성분상의 차이가 존재합니다. 목성과 토성은 대기에 헬륨과 수소를 대량 포함하고 있지만 해왕성의 대기는 극미량의 탄화수소와 질소를 포함하고 있고 암모니아, 물, 메테인 등이 얼어붙은 얼음질이 높은 비율을 차지합니다. 천문학자들은 이런 차이점을 강조하기 위하여 천왕성과 해왕성을 거대 얼음 행성으로 따로 분류하기도 합니다. 해왕성의 내부 구조는 천왕성과 마찬가지로 얼음과 암석으로 이루어져 있는 것으로 추정됩니다. 행성의 가장 바깥층에는 메테인이 소량 존재하여 행성이 밝고 맑은 파란색을 띠고 있습니다.
표면상에 아무 특징도 없는 천왕성과는 달리 해왕성의 대기에서는 역동적이고 관측 가능한 기상 현상이 측정되고 있습니다. 1989년, 보이저 2호의 해왕성 접근 통과할 때 해왕성의 남반구에서 목성의 대적점에 필적하는 대암반이 발견된 것이 그중 하나입니다. 이런 기상 현상들은 시속 2,100km 속도의 태양계에서 가장 강력한 바람으로 유지됩니다. 태양에서 아주 멀리 떨어져 있기 때문에 해왕성의 바깥쪽 대기는 태양계에서 가장 추운 장소들 중 하나이고, 구름층의 꼭대기는 거의 55K에 달합니다. 반면 행성 중심부의 온도는 대략 5000도(5400 K)입니다. 해왕성에는 파편으로 이루어진 희미한 고리 구조가 있는데, 1960년대에 고리의 존재에 대해 논란이 있었으나 1989년에 보이저 2호의 탐사를 통해 존재가 확인되었습니다.
해왕성의 발견
갈릴레오 갈릴레이의 관측 그림에 따르면 갈릴레오는 1612년 12월 28일과 1613년 1월 27일에 해왕성을 본 적이 있습니다. 하지만 그는 목성 옆에 있던 해왕성을 붙박이별로 착각했기 때문에 해왕성을 행성으로서 발견한 사람은 아닙니다. 1612년 12월의 첫 관측 당시 해왕성은 이제 막 역행 운동으로 들어선 때였기 때문에 겉보기로는 움직이지 않았습니다. 해왕성이 역행 주기를 시작했을 때 움직임이 너무 약해서 갈릴레오의 망원경으로는 감지하기에 무리였을 것입니다. 멜버른 대학교의 천문학자 데이비드 제이미슨은 2009년 7월에, 갈릴레오가 자신이 발견한 별이 다른 붙박이별들과 달리 움직였다는 것을 알아차렸다는 새로운 증거가 발견되었다고 주장했습니다.
1821년에 알레시 부봐르가 해왕성의 이웃 행성 즉 천왕성의 궤도에 대한 천문표를 출판했습니다. 그러나 그 이후의 관측에서 천문표와 어긋나는 결과가 다수 발견되었고, 부봐르는 미지의 물체가 중력적 상호 작용을 통하여 천왕성의 궤도에 섭동을 일으킨다는 가설을 세웠습니다. 1843년에는 존 쿠치 애덤스가 천왕성의 운동에 영향을 미치는 가상의 여덟 번째 행성의 궤도를 계산했습니다. 애덤스는 자신의 계산 결과를 왕실천문관 조지 에어리에게 보냈는데, 에어리는 애덤스에게 해명을 더 요구했습니다. 애덤스는 답신을 쓰기 시작했지만 보내지는 않았고, 이후에는 천왕성 문제를 적극적으로 다루지 않았습니다.
애덤스와는 별도로 1845년과 1846년에는 위르뱅 르베리에가 독자적으로 계산을 수행했지만, 그 역시 동료들에게서 큰 반응을 얻지 못하였습니다. 그러나 6월이 되어 르베리에가 행성의 환경에 대한 계산을 출판했고, 그것을 본 에어리는 애덤스의 계산과 유사점을 발견했습니다. 에어리는 행성을 찾아보자고 케임브리지 천문대장 제임스 챌리스를 설득했습니다. 하지만 챌리스가 8월과 9월 내내 하늘을 관측했지만 별 소득이 없었습니다.
그 사이 르베리에는 서한으로 베를린 천문대의 천문학자 요한 고트프리트 갈레를 재촉했습니다. 당시에 베를린 천문대의 연구생이었던 하인리히 다레스트는 르베리에가 예측한 지점 근처를 그린 최근의 성도와 현재 하늘을 비교해서 붙박이별과 구별되는 행성의 시운동적 특징을 찾을 수 있다고 갈레에게 건의했습니다. 르베리에의 편지가 도착한 1846년 9월 23일 바로 그날 저녁에 해왕성은 르베리에가 예측한 지점에서 1도 어긋난 지점, 애덤스가 예측한 지점에서 12도 어긋난 지점에서 발견되었습니다. 이후에 챌리스는 자기가 8월에 행성을 2번이나 봤지만 지나쳐 버렸었다는 사실을 뒤늦게 깨달았고 자기 발견을 증명하는 데 실패했습니다.
해왕성의 기후
해왕성과 천왕성의 차이 중 하나는 기상 활동입니다. 보이저 2호가 1986년 천왕성을 스쳐 지나갔을 때 천왕성은 시각적으로 매우 고요해 보였습니다. 반대로 1989년 보이저 2호가 해왕성 지나가면서 행성의 영상을 담았는데, 천왕성과는 달리 기상 현상이 발생하는 증거들을 포착할 수 있었습니다. 해왕성의 날씨 중 특이한 점이라면 엄청나게 빠른 태풍을 들 수 있습니다. 해왕성의 바람은 초속 600미터에 육박하는 속도로 몰아치는데, 이는 음속의 두 배에 가까운 빠르기입니다. 그러나 해왕성의 대기 흐름은 보편적으로는 조금 더 느린데 해왕성 대기에 항상 떠 있는 구름의 움직임을 분석한 결과에 따르면 바람은 동쪽 방향으로 초속 20미터 수준에서 서쪽 방향으로 초속 325미터 정도까지 다양했습니다. 구름 상층부에는 적도 근처의 경우 초속 400미터, 양극 지대의 경우 초속 250미터의 바람이 넓은 영역에 걸쳐 불고 있습니다. 해왕성의 대부분의 바람은 행성이 자전하는 방향과 반대로 움직입니다. 바람이 움직이는 방향은 고위도 지역에서는 자전과 같은 방향이나, 저위도 지역에서는 역방향입니다. 이처럼 바람이 부는 방향이 반대로 나타나는 이유로는 '피부 효과'를 들 수 있으며, 대기 깊은 곳에서의 대기 과정 때문은 아닌 것으로 보입니다. 해왕성 남위 70도의 고속 제트는 초속 300미터 속도로 움직입니다.
2007년 해왕성의 남극 상층 대기가 다른 지역보다 섭씨 10도 더 따뜻한 것으로 밝혀졌습니다. 이와 같은 온도 차이 때문에 해왕성 대기 상층부에 얼어있는 메테인 기체가 남극으로부터 우주로 탈출하게 됩니다. 이런 상대적 '열점'은 해왕성의 자전축이 기울어져 있기 때문인데, 해왕성의 1년 중 마지막 4/4분기(지구 시간으로는 약 40년 정도 )에 태양을 향해 남극이 기울어져 있기 때문입니다. 이와 같은 이유로 남반부 대신 북반부가 태양을 향해 기울어지면서 메테인 방출 현상은 북반부로 그 자리를 옮기게 됩니다.
계절의 변화 때문에 해왕성 남반구의 구름 띠들은 그 규모 및 반사율이 늘어나고 있는 모습이 관측되어 왔습니다. 이 추세는 1980년부터 시작되었습니다. 해왕성은 태양으로부터 매우 멀리 떨어져 있기 때문에 계절 하나의 길이가 약 40년 정도 됩니다.