청록색진주 해왕성 #우주다큐 #과학다큐 The sound of Neptune's wind

밤하늘을 올려다보면 맨눈으로는 거의 볼 수 없는 별들도 많고 눈에 잘 띄는 별도 참 많습니다. 그리고 그 많은 별들은 비밀의 공간처럼 지구에 살고 있는 우리에겐 비밀이 참 많은 곳들이기도 합니다. 오늘은 태양계의 끝자락에 매달려 있는 듯 자리 잡고 있는 해왕성에 대해 알아보겠습니다. 청록색의 진주라는 별칭이 아깝지 않을 만큼 보기 드문 색감을 지닌 해왕성은 목성, 토성, 천황성과 함께 목성형 행성, 즉 가스 행성으로 분류됩니다. 태양에서부터의 평균 거리는 30.13 천문 단위로 여기서 말하는 1천문 단위는 태양과 지구 사이 거리인 1억 4,959만 7,870km입니다. 궤도의 이십률은 0.00786으로 금성을 제외하고 태양계 행성 중 가장 작습니다. 자전주기 0.5831이고 공전주기 164.79년으로 지구와의 회합주기는 367.51입니다. 적도 반지름은 24,764km로 지구의 3.883배이고 부피는 지구의 60배, 질량은 17.239배, 비중은 1.6이며 해왕성의 적도 중력은 지구의 1.1을 배이며 태양에서 받는 복사량은 매우 적어서 지구의 0.001을 배 받게 되지 않아 정말 추운 행성입니다. 반사능은 0.71이고 지구에서 본 극대 광도는 7.9등급으로 맨눈으로는 절대 볼 수 없습니다. 스펙트럼은 천황성보다 강해 메탄의 흡수대가 보이며 대기 중에는 고체 암모니아와 고체 메테인이 있고 성분은 수소와 헬륨으로 추정됩니다. 위성은 트리톤과 네레이드 등 13개가 있으며 트리톤은 행성의 공전 방향과 반대 방향으로 공전하는 역행 궤도를 돌고 있는 위성입니다. 해왕성의 대기는 천황성의 대기와 매우 비슷한 것으로 보이며 대기의 적색광 흡수와 청색의 반사로 인해 해왕성은 전체적으로 청색을 띄고 있습니다. 해왕성의 대기 구성은 천황성과 매우 비슷하지만 대기의 흐름은 해왕성이 상대적으로 활발해 보입니다. 이는 천황성에서는 볼 수 없었던 대기의 회오리가 해왕성에서 관측됨으로 추측할 수 있습니다. 해왕성에서의 대기의 회오리는 대암점이라 부릅니다. 해왕성은 갈릴레오 갈릴레이의 관측 노트에 따르면 그는 1612년 12월 28일과 1613년 1월 27일에 해왕성을 본 적이 있다고 적혀 있습니다. 하지만 갈릴레오는 목성 옆에 있던 해왕성을 목성의 북박이별로 착각했으므로 해왕성을 행성으로서 발견한 사람은 아닙니다. 1612년 12월의 첫 관측 당시 해왕성은 막 역행운동으로 돌아선 때였기 때문에 겉보기상으로는 움직이지 않았기 때문이죠. 해왕성이 역행주기를 시작했을 때엔 움직임이 너무 미약해서 갈릴레오의 부실한 망원경으로는 감지하기에 무렸을 것으로 추측되기 때문입니다. 해왕성이 발견되고 얼마 되지 않았을 때 해왕성을 그냥 천왕성 바깥 행성이나 최초 발견자의 이름을 따 르베리의 행성이라고 불렸습니다. 처음으로 해왕성의 이름을 붙인 사람은 갈레였는데 그는 처음에 야누스라는 이름을 제안했습니다. 한편 영국에서는 첼리스가 오케아노스라는 이름을 제출했습니다. 그러나 1846년 12월 29일에 스트로베가 상트 페테르부르크 과학 아카데미에서 넵툰이라는 이름을 지지한다고 밝혔고 곧 해왕성은 넵툰이라는 이름으로 불리게 되었습니다. 로마 신화에서 넵투누스는 바다의 신으로 그리스 신화의 포세이돈에 대응되는 신입니다. 오늘날 대부분 국가에서는 해왕성을 넵툰이라고 부르고 있으며 그리스 로마 신화와 직접적 관련이 없는 나라들도 넵툰이 변형된 이름을 사용합니다. 다만 한자 문화권으로 일본어, 중국어, 한국어, 베트남어는 바다의 신인 넵투누스의 역할을 의역하여 바다의 왕이라는 뜻에서 해왕성이라고 부르고 있는 것입니다. 해왕성의 진량은 지구와 거대 기체 행성인 목성과 사이의 중간 정도입니다. 진량이 지구의 17배나 크지만 목성에 비하면 19분의 1에 불과합니다. 해왕성의 적도 반지름은 24,764km로 지구의 거의 4배 수준입니다. 해왕성과 천왕성은 진량이 지구와 목성 중간 정도이며 물, 암모니아 등의 휘발성 물질이 내부 구성 물질 중 차지하는 비중이 높기 때문에 목성이나 토성과 같은 거대 가스 행성과 구별되며 그래서 별칭으로 거대 얼음 행성으로 부르기도 합니다. 이런 이유에서 외계 행성 탐사에 있어 목성과 비슷한 진량 또는 그 이상을 목성적으로 부르는 것처럼 진량이 해왕성과 비슷한 천체들은 해왕성적으로 부르고 있는 것입니다. 해왕성의 내부 구조는 천왕성과 유사합니다. 전체 진량의 5%에서 10%, 표층에서 해까지, 부피의 10%에서 20%를 대기가 차지하며 대기압은 약 10기가 파스칼입니다. 대기의 하층부에서는 메테인, 암모니아, 물이 응축되고 있는 것으로 추정됩니다. 해왕성의 핵은 철분, 니켈, 규산념으로 이루어져 있으며 핵의 진량만도 지구 진량의 1.2배를 차지합니다. 해왕성 중심에서는 기압이 지구 표면 대기압의 100만배인 7메가바, 즉 700기가 파스칼이나 되며 온도는 5400켈빈에 달합니다. 높은 고도에서 해왕성 대기는 80%가 수소, 19%가 헬륨입니다. 극미량의 메테인도 존재하고 스펙트럼 상에서 붉은색과 적외선의 영역인 600나노미터 파장에서 메테인의 흡수선도 나타납니다. 천왕성과 마찬가지로 해왕성도 대기 중에 메테인이 붉은 빛을 흡수, 푸른 빛을 띄게 만드는 요인입니다. 하지만 해왕성의 깔끔한 담청색은 천왕성의 탁한 청록색과는 차이가 있습니다. 해왕성의 대기 중에 존재하는 메테인 성분은 천왕성과 비슷하지만 메테인에 더해 어떤 미지의 성분이 해왕성의 색깔을 만들어낸다고 추정됩니다. 해왕성은 자기권도 천왕성과 비슷한데요. 해왕성의 자기장은 자전축의 47도 기울어져 있으며 반지름의 0.5배 지점에서부터 행성의 물리적 중심에서 약 13,500km 떨어진 곳까지 갈라져 나옵니다. 보이죠? 2호가 해왕성에 도착하기 전에는 천왕성의 기울어진 자기권이 옆으로 비스듬한 천왕성 고유의 자전 모양 때문이라는 가설도 있었으나 두 행성의 자기장을 비교한 결과 현재 과학자들은 자기장의 극단적인 방향이 행성 내부의 유동에 영향을 준다고 추정하고 있습니다. 이 자기장은 행성의 얇은 대기층 속에 전기전도성 액체인 암모니아, 메테인, 물의 화암물로 추측되는 유체의 대류, 즉 다이나모 때문에 만들어지는 듯하다고 합니다. 해왕성의 날씨 중 특이한 점이라면 엄청나게 빠른 태풍으로 해왕성의 바람은 초속 600m에 육박하는 속도로 몰아치는데 이는 음속의 2배에 달합니다. 해왕성의 대기 흐름은 보편적으로는 조금 더 느린데 해왕성 대기에 항상 떠있는 구름의 움직임을 분석한 결과 바람은 동쪽 방향으로 초속 20m 수준이고 서쪽 방향으로 초속 325m 정도까지 다양하게 관측되고 있습니다. 구름 상층부에는 적도 근처의 경우 초속 400m, 양극지대의 경우 초속 250m의 바람이 넓은 영역에 걸쳐 불고 있습니다. 해왕성 대부분의 바람은 행성이 자전하는 방향과 반대로 부는 것으로 보입니다. 바람이 움직이는 보편적 방향은 고위도 지역에서는 자전과 같은 방향이나 저위도 지역에서는 역방향입니다. 이처럼 바람부는 방향이 반대로 나타나는 이유로 행성이 피부 효과를 들고 있으며 대기 깊은 곳에서의 대기 과정 때문은 아닌 것으로 보입니다. 해왕성의 남위 70도의 고속 제트는 초속 300m 속도로 움직이는 것으로 추정됩니다. 그럼 지금부터 해왕성으로부터 들려오는 바람 소리를 들어보겠습니다. 해왕성과 태양의 평균 거리는 45억 5천만 km로 30.1천문 단위입니다. 해왕성이 태양을 이뢰 도는데 걸리는 시간은 164.79로 해왕성은 2011년 7월 12일에 1846년 처음 발견되었던 그 자리로 되돌아왔고 현재 다시 한 바퀴를 돌아 제자리에 오는데 151년이 지나야 할 것으로 보입니다. 2011년 7월 12일에 관측한 해왕성 위치는 1846년의 그 자리는 아닌데 그 이유는 당시의 지구 위치와 2011년 7월 12일의 지구 위치는 다르기 때문이라고 합니다. 해왕성이나 천황성 같은 거대 얼음 행성의 형성 과정은 정확한 모델을 만들기 어렵습니다. 현재 모델에서 태양계 외곽부 위치의 성운의 밀도가 너무 낮아 전통적으로 받아들여진 핵강착 이론으로는 거대 천체를 형성한 원인을 설명하기는 어렵습니다. 이들의 형성을 설명하기 위한 여러 가지 가설들이 있으며 그 중 하나로 거대 얼음 행성들은 핵강착으로 만들어진 것이 아니며 원시 행성계 원반 내에서 불안정하게 형성된 뒤 근처에 크고 무거운 오비형 항성이 복사 에너지가 그 대기를 날려버렸다는 가설이 있습니다. 해왕성의 위성들은 지금까지 14개가 발견되었습니다. 제1위성 트리톤은 14개 위성들 중 압도적으로 크고 무거워 해왕성 주위를 공전하는 천체들의 진량 중 99.5% 이상을 차지하며 회전 구면체 형태를 유지할 수 있을 만큼 진량이 큰 유일한 해왕성 위성입니다. 트리톤은 해왕성이 발견되고 불과 17일 뒤에 윌리엄 러셀이 발견했는데요. 태양계의 다른 거대 위성들과 달리 트리톤은 역행 궤도를 따라 공전합니다. 이것은 트리톤이 해왕성과 함께 생성된 것이 아니라 해왕성의 중력에 포획되었다는 것을 뜻합니다. 트리톤은 아마 카이퍼 대의 외행성이었을 것으로 판단됩니다. 또한 트리톤은 동주기 자전을 할 정도로 해왕성에 가까이 있는데 조수 가속 때문에 천천히 나선형을 그리며 가라앉고 있습니다. 3억 6천만년 뒤쯤이면 로슈 한계에 다다른 트리톤은 결국 갈기갈기 찢어져 해왕성에 흡수되고 말 것입니다. 트리톤은 지금까지 온도가 측정된 태양계 천체 중 가장 차가운 천체 중 하나로 온도의 측정값은 영하 235도 즉 38 켈빈입니다. 두번째로 발견된 해왕성 위성은 불규칙하게 생긴 네레이드로 태양계의 위성들 중 궤도의 20률이 가장 큰 천체 중 하나입니다. 20률이 0.75일이 정도로 해왕성으로부터 네레이드의 궤도 최원점까지의 거리는 네레이드의 근점까지의 거리의 7배나 됩니다. 1989년 7월부터 9월까지 보이저 2호는 해왕성의 위성을 6개 더 발견했는데요. 이 중 진량이 두번째로 큰 프로테우스는 태양계의 불규칙 위성들 중에서 진량이 가장 커 자체 진량으로 구형을 유지할 수 있는 한계의 바로 아래에 있는 것으로 보입니다. 프로테우스가 해왕성의 위성들 중에서 진량이 둘째 간다고는 하지만 그 진량은 트리톤의 겨우 4분의 1밖에 되지 않습니다. 해왕성에 가장 가까이 있는 뇌위성 나이아드, 탈라사, 데스피나, 갈라테아는 해왕성의 고리에 거의 근접할 정도로 가까이서 해왕성을 공존하고 있습니다. 이 뇌위성의 바깥쪽에 있는 나리사는 1981년에 별을 엄폐하며 발견되었는데요. 이 엄폐현상은 해왕성 고리의 아크 구조 때문으로 생각되었지만 보이저2호가 1989년에 해왕성을 탐사한 결과 위성 때문에 일어난 현상으로 밝혀졌습니다. 2002년에서 2003년동안 5개의 불규칙 위성이 더 발견되어 2004년에 발표되었습니다. 해왕성의 이름이 로마신화의 해양신 넵투누스에서 유래했기 때문에 해왕성의 위성들의 이름은 하위해신들의 이름을 따서 이름을 붙인 것이라 합니다. 해왕성에는 행성고리 구조가 있는데 토성의 고리보다는 훨씬 미약합니다. 고리의 구성성분은 규산념이나 탄화물이 낀 얼음 조각으로 보이며 이 때문에 고리가 붉은빛을 띠는 것으로 추정됩니다. 해왕성 중심부에서 63,000km위에 있는 좁은 애덤스 고리, 53,000km위에 있는 르베리의 고리 그리고 42,000km위에 있는 넓고 희미한 갈레 고리가 주 고리입니다. 르베리의 고리 바깥쪽으로 퍼져있는 희미한 영역은 러셀 고리라고 하며 중심부에서 57,000km위에 있는 아라구 고리가 러셀 고리의 바깥쪽 한계입니다. 이 고리 구조는 1968년에 에드워드 기넌팀이 최초로 발견했으나 이후 고리가 불안전할 수 있다고 생각되었는데 1984년 항성 언패 당시 해왕성이 항성을 가리자 별빛이 깜박거리는 현상이 목격되었고 이것은 고리의 간극이 있다는 증거로 판명되었습니다. 1989년에 보이저 2호가 촬영한 사진은 수개의 희미한 고리 구조를 보여 줌으로써 이 문제가 해결되었고 해왕성의 고리들은 매우 비정상적인 구조를 하고 있는데 그 이유는 아직 확실하게 밝혀지지는 않았지만 고리 주위에 있는 작은 일성들의 중력적 상호작용 때문으로 추정하고 있습니다. 보이저 2호는 1989년 8월 25일에 해왕성에 가장 가까이 접근했었습니다. 해왕성은 보이저가 방문할 수 있는 마지막 행성이었기 때문에 보이저 1호가 토성과 그위성 타이탄에서 그렇게 했던 것처럼 궤도 변화에는 상관없이 해왕성과 그위성 트리톤을 근접 통과하기로 결정했었습니다. 해왕성 접근 당시 우주선의 신호가 지구까지 닿는 데는 246분이 걸렸습니다. 그래서 보이저 2호의 해왕성 탐사 임무 대부분은 사전 명령에 의존할 수 밖에 없었습니다. 8월 25일 우주선은 위성 네레이드가 해왕성의 대기층에서 4400km 떨어진 시점에서 네레이드에 근접 접근한 뒤 같은 날 해왕성 최대의 위성 트리톤으로 진로를 틀었습니다. 보이저는 해왕성을 둘러싼 자기장의 존재를 발견했으며 이 자기장은 천왕성의 자기장처럼 중심에서 갈라져 나와 자전축에 대해 심하게 기울어 있다는 것을 밝혀냈습니다. 해왕성의 자전주기는 전파 방출을 분석하여 측정했습니다. 또한 보이저는 해왕성이 놀랄만큼 활동적인 기후 시스템을 지니고 있음을 발견했으며 6개의 위성과 1개 이상의 고리도 새로 발견하였습니다. 넵튠 오디세이는 현재 나사가 계획 중인 해왕성 궤도성과 대기 탐사선의 임무 개념으로 2031년에서 2033년 사이에 발사해 2049년까지 해왕성에 도착하는 대규모 전략 과학 임무가 진행 중에 있습니다. 태양계 가장 외곽의 행성 해왕성의 진변목이 더 많이 밝혀질 날을 기대해봅니다. 오늘 이야기는 여기까지입니다. 다음에 또 만나요. 안녕!