천왕성의 고리계, 위성들, 역사

고리계

 

천왕성의 고리는 다른 거대 가스 행성의 고리와는 다르다. 가장 큰 고리는 이른바 '고전적 고리로 1977년에 지상 관측으로 발견된 아홉 개의 고리들이다. 이들 고리를 이루는 조각은 수 미터 크기의 돌덩이들이다. 그러나 토성 고리에 있는 밝은 얼음 입자와는 달리 천왕성의 고리에 있는 입자들은 대단히 어두운 표면을 갖는다. 이 표면은 입사하는 햇빛의 단 4~5퍼센트만 반사하므로 마치 숯덩이처럼 새카맣다. 천왕성에는 아홉 개의 주요 고리 이외에도 너무 투명해서 지구에서는 보이지 않는 여러 개의 고리들이 있다. 이들은 목성의 고리처럼 먼지 알갱이 같은 훨씬 더 작은 입자로 이루어져 있다.

고전적 고리를 포함해서 모든 고리는 폭이 매우 좁다. 대부분은 폭이 10킬로미터에 불과하며 심지어 가장 넓은 고리도 이 행성 지름의 0.2퍼센트인 100킬로미터밖에 되지 않는다. 고리들이 이렇게 좁은 까닭은 천왕성이 토성과 마찬가지로 목자 위성들을 가지고 있기 때문이다. 이들은 지름이 수십 킬로미터에 불과한 작은 위성이지만, 중력으로 고리 입자들을 모아 고리가 넓게 퍼지지 못하게 막는다.

 

 

천왕성의 위성들

목성과 토성 그리고 다음에 언급할 해왕성과는 달리, 천왕성에는 아주 무거운 위성이 전혀 없다. 가장 큰 위성 다섯 개의 지름은 불과 480킬로미터에서 1600킬로미터 사이로 지구의 달보다도 훨씬 더 작다. 이 위성들은 가장 안쪽에서부터 바깥쪽으로 오베론, 타이타니아, 움브리엘, 아리엘 그리고 미란다이다. 움브리엘과 오베론은 둘 다 표면에 심한 충돌 자국이 있으며, 오래전 과거에 얼음 투성이의 용암이 흘러 넘쳤던 것처럼 보인다. 타이타니아와 아리엘 역시 표면에 충돌 자국이 있지만, 갈릴레이 위성들처럼 아마도 조석력에 의한 내부 가열 때문에 생긴 거대한 갈라진 틈새와 단층도 많다. 마지막으로 가장 작은 위성인 미란다는 태양계에서 가장 이상한 표면을 가졌다. 미란다의 표면은 많은 조각을 이어 붙인 것처럼 보이며, 인접 지역이 뚜렷한 경계로 구별되어 마치 다른 세계에 속해 있는 것처럼 보인다. 이 무질서한 모양에 대한 한 가지 가능한 설명은 미란다가 엄청난 충돌로 산산이 부서졌다가 궤도에서 다시 형성되었다는 것이다. 미란다가 그런 모양을 갖게 된 것은 또한 내부가 녹아 버렸기 때문일 수도 있다. 미란다를 비롯한 다른 네 개의 위성 모두 밀도가 상당히 낮지만 토성의 위성들보다는 밀도가 약간 더 크다. 이 위성들에는 얼음보다 암석이 약간 더 많다. 그러나 표면이 상당히 검은 이유는 무한히 긴 시간 동안의 충돌 때문에 먼지가 넓게 퍼졌기 때문이다.

천왕성은 고전적 위성 외에 적어도 22개의 위성이 있다. 그 가운데 11개는 미란다와 고리 사이에 위치하며 규칙 위성이다. 즉 이 위성들은 행성이 자전하는 방향과 유사한 평면에서 동일한 방향으로 궤도를 돈다. 이 위성들은 정말로 아주 작아서 지름이 13킬로미터에서 77킬로미터 사이에 있다. 또한 표면이 검고, 이 행성의 커다란 위성들처럼 얼음과 암석으로 이루어져 있다. 한편 천왕성은 불규칙 위성도 11개 갖고 있다. 이 불규칙 위성은 매우 기울어진 궤도에서 다른 방향으로 천왕성의 주위를 돌며 모행성에서 수백만 킬로미터나 멀리 떨어져 있다. 이 위성들 역시 매우 작으며 모두가 포획된 혜성이거나 얼음 미행성체이므로 규칙 위성들과는 다른 조성을 가진다.

 

천왕성계의 역사

토성과 목성의 경우와 마찬가지로 천왕성의 과거를 추론하기가 쉽지 않은 까닭은 이 행성도 딱딱한 표면을 갖고 있지 않아서 그 진화를 이루어냈을 사건들을 기록하는 게 불가능하기 때문이다. 대신 천문학자들은 천왕성이 어떻게 형성되었으며 어떻게 진화했는지를 추론하기 위해 행성들의 형성 모형에 의존한다.

이 행성의 적도 평면에서 궤도 운동을 하는 천왕성의 규칙 위성들의 배열은 천왕성계가 목성과 토성처럼 소형 태양 성운과 같은 물질 원반으로부터 형성되었음을 암시한다. 그러나 천왕성계가 원반으로부터 형성되었다면 이 행성들의 궤도로 규정되는 태양 성운의 평면에 대해 어떻게 그렇게 기울어져 있는 걸까?

이 물음에 만족스럽게 답할 수 있는 사람은 아무도 없다. 그러나 가장 그럴듯한 설명은 수성과 금성과 지구처럼 천왕성도 역사 초기에 몹시 파괴적인 대격변을 겪었다는 것이다. 이 말은 먼 훗날 천왕성이 될 얼음 미행성이 이웃하는 또 다른 미행성과 충돌했다는 뜻이다. 이 충돌로 천왕성 미행성이 옆으로 넘어졌고 충돌로 생긴 부스러기가 넘어진 미행성 주위에 원반을 형성했다. 그리고 나중에 이 미행성이 태양 성운으로부터 가스를 빨아들이기 시작했을 때 이 가스가 측면 원반으로 들어갔고 중앙에서 천왕성이 자라기 시작하는 동안 원반의 바깥 지역에서 규칙 위성들이 유착했다. 나머지 위성들은 더 나중에 포획되었다. 천왕성이 목성만큼 무거운 행성으로 자라지 못한 것은 이미 보았듯이 이즈음에는 태양 성운이 매우 희박했기 때문이다. 천왕성은 또한 형성된 이후 원래의 수소 일부를 잃었다. 왜냐하면 목성보다 중력이 훨씬 약하기 때문이다.

천왕성 위성들의 표면은 태양에서 이렇게 멀리 떨어진 곳에서조차 충돌이 잦았으며 종종 매우 파괴적이었음을 암시한다. 이 충돌은 또한 목성의 경우와 마찬가지로 위성 표면에서 튀어나간 먼지 크기의 부스러기를 고리에 공급함으로써 고리가 유지되도록 도와주었을 것이다. 고리의 가장 큰 파편은 천왕성의 중력 때문에 부서진 위성들의 잔재일 수 있다. 혹은 고리 입자가 혜성의 부스러기일수도 있다. 그러나 이 경우에는 천왕성계의 어떤 작용에 의해 고리 입자들이 검게 되었는지 설명해야만 한다.