천왕성

천왕성의 21년짜리 계절은 어떻게 생길까?

천왕성은 자전축이 97.77° 기울어 거의 옆으로 누운 채 태양을 돈다. 태양을 한 바퀴 도는 데 약 84년이 걸리므로 봄·여름·가을·겨울을 넷으로 나누면 한 계절이 약 21년이다. 이 긴 공전과 옆으로 누운 자세가 어느 극과 위도에 햇빛이 닿는지를 수십 년에 걸쳐 바꾼다.

계절이 바뀌어도 천왕성의 하루는 길지 않다. 2025년 Hubble 관측으로 정밀하게 잰 자전 주기는 17시간 14분 52초다. 빠른 자전으로 대기와 자기장은 하루에도 한 바퀴씩 돌아가지만, 햇빛의 분포는 사람의 일생에 가까운 시간에 걸쳐 천천히 달라진다.

• 적도 지름 약 51,100km 천왕성의 한쪽 끝에서 반대쪽 끝까지 잰 크기
• 17시간 14분 52초 오로라의 움직임으로 2025년에 정밀하게 잰 자전 주기
• 약 84년 천왕성이 태양을 한 바퀴 도는 데 걸리는 지구 시간
• 97.77° 자전축이 공전 궤도에 거의 나란히 누운 정도

한 번의 근접 사진만으로는 계절을 알 수 없다

Voyager 2가 1986년 천왕성을 지났을 때는 남극 쪽이 태양을 향하는 계절이었다. 가시광선 사진에서 행성은 무늬가 거의 없는 청록색 원처럼 보였다. 하지만 그 모습은 천왕성의 한 계절과 한 방향을 약 5시간 30분 동안 가까이에서 본 결과였다.

Hubble은 2002년, 2012년, 2015년, 2022년에 같은 장비로 대기를 관측했다. 남극은 겨울로 들어가며 어두워졌고 북극은 여름에 가까워질수록 밝아졌다. 북극의 메테인 양은 계속 적은 상태였지만, 햇빛을 받아 만들어지는 연무 입자는 크게 늘었다. ‘20년 연구’라는 이름은 20년 내내 촬영했다는 뜻이 아니라, 네 시점의 측정을 같은 기준으로 비교했다는 뜻이다.

‘얼음거인’은 얼음 표면을 뜻하지 않는다

천왕성에는 탐사선이 내려설 단단한 표면이 없다. 바깥에는 수소와 헬륨이 많은 대기가 있고, 그 아래로 갈수록 압력과 온도가 높아지며 기체와 액체의 경계가 흐려진다. 더 안쪽에는 물·암모니아·메테인 계열 물질이 뜨겁고 조밀한 상태로 섞여 있을 것으로 본다.

행성과학에서 이 물질들을 ‘얼음’이라고 부르는 이유는 태양계가 만들어질 때 낮은 온도에서 얼어붙을 수 있었기 때문이다. 지금 천왕성 내부가 차가운 얼음덩어리라는 뜻은 아니다. 각 성분이 얼마나 섞였고 어디에서 층이 나뉘는지는 중력과 자기장 자료에 맞춘 내부 모형마다 다르다.

천왕성이 차갑고 조용한 행성처럼 보였던 까닭은 가까이서 얻은 자료가 1986년 Voyager 2의 한 번뿐인 방문에 크게 의존했기 때문이다.

천왕성에는 내부 열이 정말 거의 없을까?

행성의 내부 열은 우주로 내보내는 전체 에너지에서 흡수한 햇빛의 몫을 빼서 구한다. Voyager 2가 지나간 뒤에는 천왕성이 받은 만큼만 에너지를 내보내 내부 열이 거의 없다고 여겨졌다. 이 해석은 한 차례의 근접 열 측정과 당시의 햇빛 반사량 계산에 크게 의존했다.

2025년 연구진은 여러 해의 지상망원경·Hubble 자료로 천왕성이 모든 방향에 반사하는 햇빛을 다시 계산했다. 그 결과 천왕성은 태양에서 받는 에너지보다 약 15% 더 방출하는 것으로 추정됐다. 내부 열이 없다는 기존 설명은 수정됐지만, 해왕성이 받는 에너지의 두 배가 넘는 양을 방출하는 것과 비교하면 여전히 작다.

약 15%는 천왕성의 모든 위도와 계절을 직접 측정한 값이 아니라 장기 관측과 대기 모형을 합친 추정치다. 내부 열이 왜 적은지 알려면 계절에 따른 반사광과 열복사를 여러 방향에서 다시 재야 한다.

자기장은 왜 행성 중심을 똑바로 지나지 않을까?

Voyager 2가 측정한 천왕성의 자기축은 자전축에서 약 59° 기울어 있고, 자기장의 중심도 행성 중심에서 반지름의 약 3분의 1만큼 벗어나 있다. 지구처럼 자기극이 자전축 가까이에 놓인 구조가 아니다. 천왕성 자체가 옆으로 누워 자전하므로 태양 반대편의 자기장 꼬리도 길게 비틀린다.

이 모양은 자기장을 만드는 전도성 물질이 행성 깊은 중심부가 아니라 바깥쪽의 비교적 얕은 층에 분포할 가능성을 보여 준다. 그러나 Voyager 2는 한 경로로 한 번 지나갔다. 자기장이 시간에 따라 변한 것과 위치에 따라 달라진 것을 완전히 나눌 수 없으므로, 발전기 층의 깊이와 성분은 아직 확정되지 않았다.

거대한 천체와의 충돌은 천왕성의 큰 자전축 기울기를 설명하는 유력한 가설이다. 다만 충돌 한 번이 실제 원인이었다는 직접 증거는 없다. 여러 차례의 충돌이나 초기 위성계의 상호작용도 현재의 자전·내부·위성 궤도를 함께 설명할 수 있는지 검토되고 있다.

다음 탐사는 무엇을 오래 측정해야 할까?

Voyager 2는 1986년 1월 24일 구름 꼭대기에서 약 81,500km 떨어진 곳을 지나며 천왕성을 방문한 유일한 우주선이 됐다. 열 개의 위성과 두 개의 고리를 새로 찾고 뜻밖의 자기장을 측정했지만, 가까이에서 관측한 시간은 약 5시간 30분뿐이었다.

2023–2032 미국 행성과학 장기계획은 천왕성 궤도선과 대기 탐침을 새 대형 임무 가운데 가장 높은 우선순위로 권고했다. 궤도선은 여러 해 동안 중력·자기장·열·고리·위성을 반복 측정하고, 탐침은 대기 속으로 내려가 조성과 온도·압력을 직접 잰다는 구상이다. 2026년 8월 현재 이는 제안된 임무이며 NASA가 확정한 발사 일정은 없다.

옆으로 누운 모습은 수수께끼의 시작일 뿐이다

천왕성의 97.77° 기울기는 21년짜리 계절을 만들고, 계절에 따라 극지방의 연무와 구름이 달라진다. 그러나 기울어진 자기장과 적은 내부 열까지 햇빛의 변화만으로 설명할 수는 없다. 서로 다른 관측이 천왕성의 대기와 깊은 내부를 각각 보여 준다.

Voyager 2는 한 번의 가까운 장면을 남겼고, Hubble은 수십 년의 변화를 이어 붙였다. 다음 단계는 한 계절의 짧은 통과가 아니라 여러 해 동안 같은 행성을 반복해서 재는 일이다. 그래야 천왕성이 어떻게 누웠는지뿐 아니라, 내부의 열과 물질이 대기와 자기장을 어떻게 움직이는지도 구분할 수 있다.

출처

• NASA Science — Uranus Facts
• NASA Science — 20-Year Hubble Study of Uranus
• NASA Science — Uranus Rotation Rate
• NASA Science — Uranus Has More Internal Heat Than Estimated
• NASA Science — Voyager 2
• NASA — Voyager 2 Explores Uranus
• NASA Science — Uranus Exploration
• National Academies — 2023–2032 Planetary Decadal Survey