해왕성(해왕성, 라틴어: Neptunus)은 거대 얼음 행성이며, 태양계의 여덟 번째 행성입니다. 해왕(海王)은 한자어로 '바다의 왕'이라는 뜻입니다. Neptunus는 그리스 신화에서 바다의 남자 신인 포세이돈 또는 로마 신화에서 바다의 신 넵투누스에서 유래되었습니다.
해왕성은 맨눈으로 볼 수 없기 때문에 수학적 계산으로 발견되었습니다. 이렇게 발견된 행성은 태양계의 행성 중 유일합니다.
1. 해왕성 연구와 발견
해왕성의 발견
천왕성의 궤도에 예기치 않은 변화가 생긴 것을 보고, 알레시 부봐르는 천왕성의 궤도가 발견되지 않은 미지의 물체에 의한 간섭을 받는 것으로 추론했습니다. 즉 천왕성의 궤도가 중력적 상호 작용을 통한 섭동을 일으킨다는 가설을 세웠습니다. 존 쿠치 애덤스는 1843년 천왕성의 운동에 영향을 미치는 가상의 여덟 번째 행성의 궤도를 계산했습니다. 애덤스는 자신의 계산 결과를 왕실천문관인 조지 에어리 경에게 보냈습니다. 그리고 이 가상의 행성의 궤도를 위르뱅 르베리에가 1845년~1846년에 독자적으로 계산을 수행했습니다. 그 후 르베리에가 행성의 황경에 대한 계산을 출판했는데, 그것을 본 에어리는 이전의 애덤스의 계산과 비슷한 점을 발견했습니다. 에어리는 행성을 찾아볼 것을 케임브리지 천문대장 제임스 챌린스에게 제안하고 설득했습니다. 그러나 챌린스는 성과를 거두지 못했습니다. 르베리에는 그사이 베를린 천문대의 천문학자 요한 고트프리트 갈레에게 서한을 보내 재촉했습니다. 베를린 천문대 연구생인 하인리히 다레스트는 르베리에가 예측한 지점 근처를 그린 최근의 성도와 현재 하늘을 비교해 보면, 이 가상 행성이 붙박이별과 다른 시운동적 특징을 가지고 있다고 갈레에게 의견을 냈습니다. 1846년 9월 23일 해왕성이 발견되었는데, 해왕성이 발견된 곳은 르베리에가 예측한 지점에서 1도 어긋난 지점, 애덤스가 예측한 지점에서 12도 어긋난 지점입니다.
해왕성의 명칭
해왕성이 발견되고 처음에는 해왕성을 "천왕성 바깥 행성" 또는 "르베리에의 행성"이라고 불렀습니다. 갈레는 해왕성의 명칭을 처음으로 제안했는데. 그 명칭은 "야누스(Janus)"입니다. 그리고 잉글랜드에서는 챌리스가 "오케아노스(Oceanus)"라는 명칭으로 제안했습니다.
르베리에는 자신이 발견했으니, 자신이 명명할 권리가 있다고 주장하며, "넵튠(Neptune)"이라는 이름이 프랑스 경도국에서 인증받은 이름이라고 거짓말을 했습니다. 그리고 나중에 르베리에는 행성을 자기 이름을 따서 "르베리에(Le Verrier)"라고 명명하려고 했습니다. 그러나 이 시도는 프랑스 외부에서의 강한 반발로 성공하지 못합니다. 프랑스의 책력들은 천왕성의 발견한 허셜의 이름을 따서 "허셜(Herschel)"이라고 표기하기 시작했고, 새 행성도 "르베리에"라고 표기했습니다. 그렇지만 1846년 12월 29일에 상트 페테르부르크 과학 아카데미에서 스트루베가 "넵튠"을 새 행성의 명칭으로 지지한다고 밝혔습니다. 결국 "넵튠"이 새 행성의 이름으로 국제적으로 인정받게 되었습니다.
2. 구성 및 구조
해왕성은 태양계의 여덟 개의 행성 중에서 직경으로는 네 번째로 크고, 질량으로는 세 번째로 큽니다. 해왕성의 질량은 지구의 17배이며, 질량이 지구의 15배인 천왕성보다 약간 더 무겁습니다. 해왕성의 적도 반지름은 24,764km이며, 지구의 약 4배입니다. 해왕성과 천왕성은 질량이 지구와 목성 중간 정도입니다. 그리고 내부 구성 물질 중 물, 암모니아 등의 휘발성 물질이 차지하는 비율이 높기 때문에, 목성이나 토성과 같은 거대 가스 행성과 다르게 '거대 얼음 행성'이라고 부르기도 합니다.
구조
해왕성의 내부 구조는 천왕성과 비슷합니다. 해왕성의 중심부는 핵, 핵의 윗부분은 맨틀, 맨틀의 윗부분은 대기, 그 위는 상층부를 덮고 있는 대기로 구성되어 있습니다. 대기는 전체 질량의 5~10퍼센트이며, 표층에서 핵까지 부피의 10~20퍼센트를 차지하며, 대기압은 약 10Gpa입니다. 대기의 하층부는 맨틀로 어둡고 뜨거우며, 온도 2,000K~5,000K의 초열 상태의 액체 맨틀로 응축됩니다. 이 맨틀은 물, 암모니아, 메테인이 많이 분포합니다. 이 혼합물은 고온고압의 유체 특징을 보이지만, 행성 과학에서는 "얼음"이라고 부릅니다. 해왕성의 중심부인 핵은 철분, 니켈, 규산염으로 이루어져 있습니다. 핵의 질량은 내부 모형에서 보면 지구 질량의 약 1.2배를 차지합니다. 중심에서의 기압은 7Mbar(700Gpa)로 지구 표면 대기압의 백만 배이며, 온도는 5,400K입니다.
대기
해왕성의 대기는 높은 고도에서 수소가 80퍼센트, 헬륨이 19퍼센트를 차지합니다. 여기에 극미량의 메테인이 포함되는데, 스펙트럼상에서 메테인의 흡수선을 확인할 수 있습니다. 천왕성과 유사하게 해왕성도 대기 중의 메테인이 붉은빛을 흡수하고 푸른빛을 띠게 하는데, 해왕성은 천왕성의 탁한 청록색과는 다른 깨끗한 담청색을 가집니다.
해왕성의 대기는 두 부분으로 나뉩니다. 두 부분은 고도가 높아짐에 따라 온도가 낮아지는 대류권과 고도가 높아짐에 따라 온도가 높아지는 성층권입니다. 대류권과 성층권의 경계인 권계면은 기압이 대략 0.1바(10kPa)인 곳에서 나타납니다.
3. 공전과 자전
해왕성의 공전 주기는 약 164.79년이며, 태양으로부터 평균 거리는 약 45억 5천km입니다. 해왕성의 궤도 경사각은 지구에 대해 1.77도 기울어 있습니다. 궤도 이심률은 0.011이며, 태양으로부터 가장 가까울 때와 가장 먼 거리일 때 거리 차이는 1억 1백만km로 궤도는 원에 가깝습니다.
해왕성의 자전축 기울기는 28.32도이며, 이는 지구(23도)와 화성(25도)과 비슷하기 때문에 해왕성도 지구와 화성처럼 계절의 변화가 생깁니다. 해왕성의 자전 주기는 약 16.11시간이며, 지구와 비슷한 자전축 기울기를 가지고 있어서 해왕성의 낮 길이는 해왕성이 한번 공전할 때 극심한 변화가 있지 않습니다.
4. 해왕성의 위성
해왕성은 14개(지금까지 발견된 위성의 수)의 위성을 가지고 있습니다. 첫 번째 위성인 트리톤은 해왕성 발견 후 17일이 지나 윌리엄 라셀이 발견했습니다. 트리톤은 14개 위성 중 가장 크고 무거우며, 해왕성 주위를 공전하는 천체들의 질량 중 99.5퍼센트 이상을 차지합니다. 그리고 태양계의 다른 거대 위성들과 다르게 역행 궤도를 따라 공전하며, 이 사실은 트리톤이 해왕성과 함께 형성되지 않고 해왕성의 중력에 포획되었다는 것을 의미합니다.
두 번째 위성은 네레이드로 불규칙하게 생겼습니다. 태양계의 위성 중 궤도의 이심률이 가장 큰 천체에 해당합니다. 해왕성으로부터 네레이드의 궤도 최원점까지의 거리는 근점까지의 거리의 7배나 되며, 이심률은 약 0.7512입니다.
보이저 2호는 1989년 해왕성의 위성 6개를 더 발견하였으며, 프로테우스, 나이아드, 탈라사, 데스피나, 갈라테아 등이 있으며, 그 후 불규칙한 위성들이 더 발견되었습니다.