7. 천왕성(Uranus)

  태양을 돌고 있는 9개의 떠돌이 별들 중 수성, 금성, 화성, 목성, 토성은 지구에서도 밝게 보여 오랜 옛날부터 볼 수가 있었다. 그러나 천왕성부터는 그 거리와 밝기가 너무도 멀고 어두워 맨 눈으로는 볼 수가 없고, 망원경을 이용한다 하더라도 목성이나 토성을 보는 만큼의 상을 얻을 수는 없다. 토성 다음으로 큰 천왕성은 그 지름이 지구의 약 4배나 된다.

(1) 천왕성의 물리적 성질
  

  대기의 최상층을 이루는 차갑고 얇은 수소 기체층을 지나 밑으로 내려가면 온도는 더욱 내려가다가 메탄의 구름층을 통과해서 더 내려가면서 온도는 올라가기 시작할 것이다. 메탄의 구름 층 밑에는 짙은 암모니아의 결정 입자들로 이루어진 층이 있고 암모니아층 아래에는 수증기로 이루어진 구름층이 있을 것으로 추측된다. 수증기의 구름층 밑에서 온도는 더욱 올라가고 압력도 높아져 대기의 최상층에서 8,000 km 깊이가 되는 지점에 도달하면 수소의 바다를 만나게 될 것이다.
  천왕성의 내부는 토성과 마찬가지로 대부분 수소로 되어 있을 것이다. 천왕성의 밀도가 1.3 g/cm³ 밖에 안되는 사실로서 쉽게 짐작할 수 있다. 수소액체로 둘러싸인 핵은 암석으로 이루어져 있을 것으로 보이며, 이 핵의 크기는 지구 크기 정도이고 핵의 온도는 태양 표면의 온도보다 높은 7,000 ^oC 정도이다. 목성, 토성, 해왕성 등의 목성형 행성들이 많은 양의 자체 열을 밖으로 발산하고 있는 것과는 달리 천왕성은 자신의 열을 거의 발산하고 있지 않은 것으로 생각되고 있다.
 

(2) 천왕성의 고리

  보이저 2호가 지구를 출발한 1977년에, 카이파 공중 천문대의 관측으로 천왕성에 고리가 존재한다는 것이 발견되엇다. 천왕성의 다른 별빛을 가리는 '엄폐현상'을 이용한 지상 관측에서, 천왕성에는 고리가 9가닥 있음이 밝혀져 있었는데, 보이저 2호에 의해 2가닥의 고리가 더 발견되었다. 이 2가닥의 고리는 모두 보통의 관측으로는 전혀 보이지 않을 만큼 어둡다.
  천왕성의 고리의 특징은 가늘다는 것과 어둡다는 것을 들 수 있다. 첫째 가늘다는 이유로서 양치기 위성의 존재를 들 수 있다. 보이저 2호는 고리 중에서 가장 바깥쪽에 위치하여 가장 뚜렷이 보이는 ε고리의 바깥쪽과 안쪽에서, 예상대로 각각 하나씩 새로운 위성을 발견하였다. 이와 같은 위치에 위성이 있으면, 각각의 고리 입자는 고리의 폭을 좁히려는 힘을 받는다. 그 폭이 어느 정도 이상으로 좁혀지면 이번에는 입자 사이에 반발력이 작용하여, 양자가 이룬 고리는 장기간 안정된 상태로 있게 된다. 고리 입자를 양떼로 보고, 이를 지키는 양치기라는 뜻에서 '양치기 위성'이라고 정한 것인데, 이러한 위성은 토성에서도 발견되었다.
  둘째 어둡다는 이유로서는 반사율이 극히 나쁘다는 데 있다. 보이저 2호가 천왕성에서 강한 방사선대를 발견할 때까지는 이것이 큰 수수께끼의 하나로 되어 있었다. 그 수수께끼는, 토성 고리는 얼음입자로 되어 있는데, 천왕성 고리는 왜 얼음입자로 되어 있지 않느냐는 것이다.
  방사선대가 존재하면 고리입자는 강한 방사선을 쬐게 된다. 예컨대 메탄과 같은 탄소와 수소의 화합물에서는 원소 사이의 결합력이 파괴되어 수소는 우주 공간으로 달아나고, 탄소만이 모이게 된다. 이렇게 되면 고리입자가 메탄의 얼음이었다고 하여도, 표면에서는 탄소가 모이게 되며, 박에서 보면 어둡다는 결론이 된다.
  보이저 2호의 관측에서 천왕성 고리는 토성 고리에 비해 휠씬 얇다는 것도 밝혀졌다. 그 두께는 수십m로서 고리입자의 수십 개분의 두께밖에 되지 않는 것 같다.
  <그림 18>은 1995년에 허블망원경으로 찍어서 인위적인 색깔을 입힌 적외선 사진이다.
  

(3) 천왕성의 위성

  보이저 2호의 관측 이전에는, 천왕성의 본체에 대해 아는 바가 거의 없었다. 다섯 개의 주요 위성 오베론, 티타니아, 아리엘, 움브리엘, 미란다의 크기와 질량도 어림잡고 있는 데 지나지 않았다. 보이저 2호의 관측에서 그 지름이 밝혀져 보다 정확한 밀도의 값이 추정되었다. 그들의 지름은 모두 지구의 달보다도 작다. 모두 얼음과 암석으로 되어 있으며, 밀도라는 점에서 본다면 토성의 위성보다는 목성의 갈릴레오 위성에 가깝다. 보이저 2호는 이들 위성의 표면에 크레이터가 있다는 것을 밝혔고, 그밖에 10개의 위성을 새로 발견했다. 천왕성의 자전축이 누워 있음으로 적도면에 평행한 원궤도를 돌고 있는 이 위성들의 운동을 지구에서 관찰하면 천왕성을 중심으로 아래위로 운동하는 것처럼 보인다. 이러한 천왕성의 위성들의 운동이 천왕성의 자전축이 누워 있다는 것을 발견하는 단서가 되었다.