천왕성과 해왕성, 거대 암석행성인가

태양계 바깥쪽에 속한 천왕성과 해왕성은 거대 얼음 행성이 아니라 암석 덩어리일지 모른다는 주장이 제기됐다.

스위스 취리히대학교 천체물리학자 루카 모프, 라비트 헬레드 박사는 국제 학술지 Astronomy & Astrophysics 최신호에 이런 내용의 실험 보고서를 냈다.

천왕성과 해왕성은 오랫동안 거대 얼음 행성으로 통했다. 행성의 주성분이 물과 암모니아, 메탄 등 얼음으로 여겨졌지만, 연구팀이 최신 모델을 통해 도출한 결과는 의외로 지구와 같은 암석질에 가까웠다.

일반적으로 알려진 천왕성(왼쪽)과 해왕성의 이미지. 모두 거대 얼음 행성으로 생각됐다. 「사진=미 항공우주국(NASA) 공식 홈페이지」

태양에서 평균 약 29억㎞ 떨어진 곳을 도는 천왕성은 태양계에서 가장 낮은 영하 224℃라는 극단적 저온의 세계다. 태양에서 약 45억㎞ 떨어진 해왕성도 평균 온도가 영하 214℃에 이르는 냉동고 같은 천체다.

태양에서 더 먼 해왕성이 천왕성보다 약간 따뜻한 것은 해왕성이 탄생했을 때 열을 지금도 내부에 저장한 영향이라고 학자들은 봤다. 천왕성은 과거 다른 거대 천체와 충돌하면서 내부의 열이 달아나 태양에 가까운데도 해왕성보다 차가운 행성이 됐다는 게 유력한 가설이다.

라비트 헬레드 박사는 “학자들은 천왕성과 해양성이 태양에서 멀리 떨어졌고 물이나 암모니아, 메탄이 압축된 셔벗 같은 덩어리가 핵을 형성한다고 봤다”며 “아직 해명되지 않은 점이 많아 기존의 분류는 잊고 새로운 모델을 만들기로 했다”고 말했다.

제임스웹우주망원경이 포착한 해왕성과 복수의 링 「사진=유럽우주국(ESA) 공식 홈페이지」

이어 “두 행성의 심부를 보다 정확히 알기 위해 이론과 실제 관측 데이터를 결합한 독자적 하이브리드 모델을 구축했다”며 “지금까지 시뮬레이션은 물리학 이론에 근거한 추측에 치우치거나, 눈에 보이는 데이터만 반영한 것들”이라고 평가했다.

두 학자는 먼저 행성 중심으로부터 거리에 따라 밀도가 어떻게 변하는지 검토하고 행성의 중력을 고려해 모델을 조정했다. 이 과정에서 핵의 온도나 조성을 추측해 새로운 밀도의 구성도를 작성했다. 다시 그 데이터를 모델에 적용해 현재 관측 데이터와 완전히 일치할 때까지 계산했다.

이 정교한 시뮬레이션 과정에서 기존 가설과 전혀 다른 결과가 나왔다. 루카 모프 박사는 “도출된 핵 후보 가운데 얼음의 주성분인 물보다 암석 비율이 훨씬 높은 패턴이 부각됐다”며 “이는 천왕성과 해왕성이 거대 암석 행성일 가능성을 보여준다”고 전했다.

제임스웹우주망원경이 근적외선 카메라(NIRcam)으로 포착한 해왕성의 고리 「사진=NASA 공식 홈페이지」

교수는 “우리 모델에서 행성의 핵 주위에는 물이 이온 상태로 존재하고 열에 의해 빙글빙글 순환하는 장소가 있을 가능성이 나타났다”며 “초고온·초고압에 의해 물 분자가 쪼개져 전기가 흐르기 쉬운 알갱이로 변모한 층들은 아마 두 행성의 복잡한 자기장의 근원일 것”이라고 추측했다.

이번 모델에 따르면 천왕성의 자기장은 해왕성에 비해 더 중심에 가까운 곳에서 발생했다. 라비트 헬레드 박사는 “우리 모델이 제시한 것처럼 초고압이나 초고온이라는 극한 상태에서 물질이 어떻게 행동하는지 현재 알지는 못한다”며 “앞으로는 메탄이나 암모니아 같은 다른 성분도 모델에 포함시켜 진실을 알아낼 예정”이라고 강조했다.

정이안 기자 anglee@sputnik.kr

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