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[아하! 우주] 건방지게 누운 자세로 태양을 공전하는 천왕성의 비밀

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▲ 2004년 케크 천문대 망원경으로 제작된 이 합성 이미지는 천왕성의 두 반구를 보여주고 있다(출처=Lawrence Sromovsky, University of Wisconsin-Madison/W.W. Keck Observatory)

천왕성은 ‘불경스럽게도’ 아예 드러누운 자세로 태양을 공전한다. 태양계 공전면에 대해 자전축 기울기가 무려 98도나 된다. 가스 행성을 두르고 있는 고리와 27개로 알려진 위성들도 마찬가지다.

천왕성의 이 같은 기이한 특징에 대해 천문학자들은 천왕성이 태어나자마자 겪었던 폭력적인 충돌 때문일 것으로 보고 있다. 과학자들의 계산서에 따르면. 지구 크기의 1~3배쯤 되는 원시 행성이 천왕성을 들이받음으로써 천왕성이 벌러덩 넘어졌을 뿐만 아니라 자전속도가 엄청 빨라졌다고 한다. 천왕성의 자전주기는 17시간으로 지구의 24시간보다 훨씬 빠르다. 천왕성의 지름이 지구의 4배인 5만㎞, 덩치가 그 3제곱인 64배임을 감안하면 자전속도가 얼마나 빠른지 실감할 수 있다.

그러나 충돌의 세부사항에 대해서는 이제껏 별로 알려진 것이 없었다. 충돌 시뮬레이션이 보여주는 것은 오늘날 우리가 보고 있는 천왕성 시스템을 생성하기 어렵다는 것을 나타낸다. 예컨대, 이 모델에서는 오늘날 천왕성 위성들의 총 질량에 비해 충돌 후 잔해 디스크의 질량이 이보다는 훨씬 큰 경향을 보여주기 때문이다.

새 연구 보고서는 얼어붙은 가스 행성 주위에 위성들이 형성되는 과정을 조사하기 위해 고안된 새로운 모델링 전략이 성공했다고 발표했다. 천왕성의 극저온 환경이 핵심이다. 차갑고 어두운 외부 태양계에서 일어나는 충돌의 영향은 지구에 달이 형성되는 태양 부근의 충돌과는 크게 다른 결과를 초래하는 것으로 연구자들은 밝혀냈다.

원시 지구가 거대 충돌로 달을 만들었을 때 지구와 충돌한 천체는 테이아라는 화성 크기의 행성이었는데, 지구와 테이아를 형성한 것은 얼음이 아닌 바위였다. 충격에 의해 물질이 급격히 우주로 방출되었기 때문에 신생 달이 두 천체의 운동량을 어느 정도 넘겨받게 되었다.

지난주 ‘네이처 아스트로노미’(Nature Astronomy) 저널에 발표된 새로운 연구에 따르면, 천왕성 충돌에서 방출된 물질은 물과 암모니아와 같은 휘발성이 물질이 대부분으로, 이것이 가스 상태로 존재하다가 원시 천왕성에 그대로 사로잡혀 결과적으로 위성들을 형성할 수 있는 물질이 거의 남지 않게 되었다고 한다.



이 모든 것을 고려한 연구자들의 모델은 천왕성에 충돌한 천체는 거의 얼음 성분으로, 질량은 지구의 1~3배에 달하는 것으로 결론을 내렸다. 일본 도쿄 공과대학 지구생명과학연구소의 시게루 이다 대표저자는 “이 모델은 천왕성의 위성 시스템 구성을 설명하는 최초의 이론이며, 해왕성과 같은 태양계의 다른 얼음 행성의 구성을 설명하는 데도 도움이 될 수 있다”고 밝혔다.

그는 이어 “천문학자들은 현재 다른 별 주위에서 수천 개의 외계행성을 발견했으며, 관측에 따르면 발견된 외계 행성계에서 수퍼지구로 알려진 행성 중 상당수가 얼음 행성으로, 이 모델은 이들 행성에도 적용될 수 있다”고 덧붙였다.

이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com 

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