천왕성(天王星, Uranus)은 태양계 행성 중 일곱 번째에 해당하는 행성입니다. 영어 명칭 '우라노스(Uranus)'는 그리스 신화에서 제우스의 할아버지 그리스의 신 우라노스에서 유래되었습니다. 천왕성은 맨눈으로 볼 수 있지만, 매우 느리고 어둡기 때문에 인류에게 발견되기 쉽지 않았습니다.
1. 천왕성의 발견
처음 천왕성을 발견한 관측자들은 천왕성 자체가 어두워 이를 어두운 별 정도로 생각했습니다. 최초의 관측 기록은 1690년 존 플램스티드에 의해 기록되었는데, 자신의 성표에 황소자리 34로 기록했습니다.
1781년 3월 13일 윌리엄 허셜은 서머싯 소재 배스 타운 뉴 킹 스트리트 19에 있는 자기 집(현재는 허셜 천문학 박물관) 정원에서 천왕성을 관측했고, 처음에는 이를 혜성으로 보고했습니다. 허셜은 자신의 논문에 천왕성을 "황소자리 제타 근처에 있는 성운 비슷한 별 또는 혜성"이라고 표현했습니다. 그는 발견 사실을 왕실 천문관 네빌 마스켈라인에게 보고했으며, 4월 23일 마스켈라인으로부터 답신을 받았습니다. 마스켈리안의 답신은 "나는 이것을 뭐라고 해야 할지 모르겠습니다. 혜성이 상당히 타원형의 궤도를 도는 데 비해. 이 천체는 마치 행성과 같이 태양을 거의 원형의 궤도로 공전하고 있습니다. 코마나 꼬리 같은 것은 관측하지 못했습니다."라는 것이었습니다.
러시아의 천문학자 앤더스 렉셀은 이 천체의 궤도를 최초로 계산하였으며, 거의 원형에 가까운 궤도를 확인하고 행성에 더 가깝다는 결론을 내렸습니다. 베를린의 요한 엘레르트 보데 또한 이 천체를 혜성보다는 행성에 더 가깝다고 간주했습니다.
2. 구조
천왕성의 반지름은 지구의 약 4배로 해왕성보다 조금 크지만, 밀도가 낮기 때문에 천왕성의 질량은 해왕성보다 작습니다. 천왕성의 질량은 지구의 약 14.5배이며 가스 행성 중에서 가장 가볍고 밀도 또한 토성 다음으로 낮습니다. 이렇게 천왕성의 밀도가 낮다는 사실에서 추측해 보면 천왕성 내부는 물, 암모니아, 메테인 등 여러 종류의 물질이 섞인 상태라는 것을 알 수 있습니다. 천왕성 내부 얼음 물질의 총질량은 정확하게 밝혀지지 않았지만, 여러 모형을 이용한 추측으로는 얼음 물질의 질량이 지구의 약 9.3~13.5배 정도일 것으로 봅니다. 그리고 수소와 헬륨이 차지하는 비율은 매우 작으며, 그 질량은 지구의 약 0.5~1.5배입니다. 얼음 물질과 수소, 헬륨 같은 가벼운 물질을 제외한 나머지 질량은 지구의 약 0.5~3.7배로 암석 물질일 것으로 추측합니다.
천왕성 내부는 표준 모형과 여러 가설 모형이 있지만, 표준 모형에 의하면 세 부분으로 나눌 수 있습니다. 중심부는 암석 물질의 핵이 차지하고, 그 윗부분은 얼음 혼합물로 이루어진 맨틀이 차지하고 있으며, 최상층은 수소와 헬륨으로 구성된 기체가 차지하고 있습니다. 천왕성의 중심핵 질량은 지구의 약 0.55배이고, 반지름은 천왕성 크기의 약 20퍼센트로 전체 반지름에 비하면 상대적으로 작습니다. 천왕성 부피의 대부분을 차지하는 맨틀의 질량은 지구의 약 13.4배입니다. 가벼운 원소로 구성된 대기층의 질량은 지구의 약 0.5배이며, 두께는 천왕성 반지름의 약 20퍼센트입니다. 천왕성과 해왕성 내부는 목성이나 토성 내부와 다른데, 천왕성과 해왕성은 가스층 아래 얼음 맨틀이 부피 대부분을 차지하는 데 비해 목성과 토성은 가스가 대부분을 차지합니다.
천왕성의 내부 열은 다른 거대 행성들 열보다 낮습니다. 이것을 천문학적인 용어로 '열유속이 낮다'라고 표현합니다. 천왕성의 내부 열이 낮은 이유는 아직 밝혀지지 않았지만, 여러 개의 가설을 가지고 있습니다. 해왕성은 태양으로부터 받는 에너지의 2.61배를 우주로 방출하지만, 천왕성은 열을 거의 방출하지 않습니다. 천왕성의 권계면(대류권과 성층권 사이)에 기록된 최저 기온은 49K이며, 천왕성은 태양계에서 가장 차가운 행성으로 기록됩니다.
3. 궤도 와 회전
천왕성의 공전 주기는 약 84년이며, 태양으로부터 평균 거리는 30억 km입니다. 1783년 궤도 요소들을 피에르-시몽 라플라스가 최초로 계산했습니다. 존 카우치 애덤스는 1841년 처음으로 천왕성 중력적 영향에 의한 새로운 행성에 대 예견했으며, 1846년 9월 23일 요한 갓필드 갈레가 해왕성을 발견했습니다.
천왕성의 자전 주기는 약 17시간 14분입니다. 모든 거대 가스 행성들의 상부 대기는 자전의 방향으로 심한 바람을 받게 되는데, 이 영향으로 실제 보이는 천왕성의 대기 자전 주기는 실제 천왕성의 자전 주기보다 빠르며, 14시간도 안 됩니다.
천왕성의 자전축은 태양계 평면에 거의 누워있는 것처럼 기울어져 있는데, 기울기가 약 98도입니다. 이런 자전축의 기울기는 천왕성에서의 계절이 다른 행성과 다르게 나타나게 합니다.
4. 대기와 행성 고리
천왕성의 기체 외피 가장 바깥쪽 부분에는 원격 탐사가 쉬운 부분이 존재하는데, 이곳을 천왕성의 '대기'라고 합니다. 천왕성의 대기는 대략 300km 아래, 압력이 1바(bar)이고 온도는 320K인 지점까지 원격 탐사를 할 수 있습니다. 대기는 세 개의 층으로 나눌 수 있습니다. 대류권, 성층권, 열권과 코로나층으로 나뉘며, 중간권은 없습니다. 천왕성의 대기는 태양 빛의 적색 파장을 흡수하고, 녹색과 청색 파장의 많은 양을 반사하기 때문에 청록색을 띠게 됩니다. 그리고 대기는 수소가 약 83퍼센트, 헬륨이 약 15퍼센트, 메탄이 약 2퍼센트 등이 차지하며, 반사율이 높은 암모니아와 황은 대기의 깊숙한 곳에 있는 것으로 추측합니다.
천왕성은 희미한 행성 고리를 가지고 있는데, 태양계에서 토성 다음으로 두 번째로 발견되었습니다. 이 고리는 직경 10m까지 어두운 미립자로 이루어져 있습니다. 지금까지 13개의 고리가 발견되었으며, 가장 밝은 고리는 엡실론 고리입니다. 천왕성의 고리들은 만들어진 지 오래 되지 않았을 수 있습니다. 왜냐하면 고리의 투명도 차이나 틈은 고리가 천왕성과 함께 형성되지 않았음을 보여주기 때문입니다.
5. 천왕성의 위성
현재까지 천왕성의 위성은 27개를 가지고 있습니다. 대표적인 위성 5개에는 미란다, 아리엘, 움브리엘, 티타니아, 오베론이 있습니다. 천왕성의 위성계는 4개의 가스 거대 행성 중 가장 협소합니다. 5개 위성의 총질량이 해왕성의 위성인 트리톤 질량의 절반도 되지 못합니다. 5개 위성 중 티타니아가 가장 큰데, 그 크기가 겨우 788.9km로 달 크기의 절반도 되지 못합니다. 위성들은 대부분 상대적으로 적은 반사율(알베도)을 가지며, 0.20(움브리엘)~0.35(아리엘)까지 분포하고 있습니다.