우주의 신비

[아하! 우주] 천왕성은 왜 ‘드러누운 자세’로 태양을 공전할까?

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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)



지구는 공전궤도면에 23.5도 기울어진 자세로 공전하고 있다. 그런데 천왕성은 '무례하게도' 아예 드러누운 자세로 태양을 공전하고 있다. 궤도경사각이 무려 98도나 된다.

무엇이 이처럼 천왕성의 자전축을 극단적으로 기울어지게 했을까 하는 오랜 천문학 수수께끼가 새로운 연구에 의해 해답을 찾아냈다고 우주 전문 사이트 스페이스닷컴이 5일(현지시간) 보도했다.

새 연구에 따르면, 천왕성을 이처럼 때려눕힌 주인공은 지구 크기의 2배인 원시 행성으로, 약 40억 년 전 천왕성과 거대 충돌을 일으킴으로써 천왕성을 영원히 KO시켰다.

이 충돌로 인해 천왕성은 자전축이 거의 태양을 가리키는 이상한 나라의 행성이 되었으며, 여러 기괴한 특성을 지니게 된 것이라고 연구자들은 설명한다.

영국 더럼대학 ICC 연구팀 제이콥 케거리스 수석 저자는 "태양계의 모든 행성들은 대략 같은 방식으로 자전하고 있지만 천왕성은 완전히 드러누운 채 자전하고 있다"고 설명했다. 천왕성의 기묘한 점은 이뿐 만이 아니다. 아주 이상한 자기장을 갖고 있으며, 온도가 예측치보다 훨씬 낮다. 새 연구에 따르면 이는 약 40억 년 전에 거대한 얼음 천체와 충돌한 결과 나타난 현상이라고 한다.

연구팀은 거대 충돌이 천왕성의 진화에 어떤 영향을 주었는지 알아내기 위해 강력한 슈퍼 컴퓨터로 대규모 충돌 시뮬레이션을 수행한 결과, 거대 충돌이 천왕성의 기울기와 온도에 결정적인 영향을 미친 것으로 밝혀졌다.

즉, 암석과 얼음으로 이루어진 원시 원형 행성이 천왕성에 충돌함으로써 자전축 기울기를 극단적으로 변화시켰을 뿐만 아니라, 충돌에 따른 잔해물들이 천왕성 지표에 쌓여 얇은 껍질을 만들어 내부의 열을 차단함으로써 대기와 표면 기온이 크게 떨어진 것으로 나타났다.

▲ 과학자들은 약 40억 년 전 지구 두 배 크기의 물체가 천왕성과 충돌하여 자전축을 옆으로 눕혔음을 확인하기 위해 고해상도 시뮬레이션을 사용했다.(출처=​Jacob Kegerreis/Durham University)



그러나 놀랍게도 거대 충돌 후에도 천왕성은 대기를 유지했다고 밝히는 연구자들은 충돌 물체가 단지 행성을 스쳐지나감에 따라 자전축을 크게 눕히기는 했지만 대기까지 뜯어내가지는 않았기 때문이라고 설명한다.



BAER / NASA Ames 연구센터의 루이스 테오도로 공동저자는 “이런 종류의 사건은 우주에서 드문 일이 아니며, 거대 충돌이 초기 태양계의 행성 형성 중에 빈번하게 발생함을 보여주는 증거는 많다”면서 “이런 종류의 연구로 잠재적으로 거주 가능한 외계행성에 미치는 영향에 대해 더 많은 통찰을 얻고 있다”고 밝혔다.

케거리스 수석 저자에 따르면, 이 충돌은 기울어진 행성에 대한 또 다른 두 가지 이상한 점을 설명할 수 있는데, 첫째 천왕성의 달이 어떻게 형성되었는지 설명할 수 있다. 연구진은 그 영향이 나중에 천왕성의 27개 위성 중 일부는 원시 행성의 얼음과 암석 파편으로 형성된 것으로 보고 있다. 또한 그 거대 충돌은 당시에 이미 존재했던 다른 위성들의 회전을 변경시켰을 것으로 생각하고 있다.

이번 연구논문은 지난 2일 '아스트로피지컬 저널'(The Astrophysical Journal)에 발표되었다.

이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com 

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