이광식의 천문학+

천왕성, 해왕성에는 진짜 ‘다이아몬드 비’가 내린다

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얼음 거인 천왕성과 해왕성은 별로 언론의 관심을 받지 못하고 있는데, 주로 그들보다 큰 자매인 목성과 토성이 주목받고 있기 때문이다.

언뜻 보기에 천왕성과 해왕성은 재미없고 지루한 분자 덩어리에 불과한 것 같다. 그러나 그 세계의 바깥층 아래에는 장엄한 그 무엇이 숨어 있을지도 모르는 일 아닌가. 천문학자들은 두 행성의 외층 아래 다이아몬드 비가 끊임없이 내리는 있을 것으로 보고 있다.

'얼음 거인(ice giants)'이라는 말은 톨킨의 판타지 소설에 나오는 괴물을 연상시킬지도 모르지만, 이는 천문학자들이 태양계의 가장 바깥쪽 행성인 천왕성과 해왕성을 분류하는 데 사용하는 이름이다.

약간 헷갈리기는 하겠지만, 그 이름은 보통 의미의 얼음과는 아무 관련이 없다. 행성들이 무엇으로 이루어져 있는가에 따라 이 용어의 적용이 결정된다. 거대한 가스인 목성과 토성은 거의 전적으로 가스인 수소와 헬륨으로 이루어져 있다. 이 거대한 행성이 현재의 크기로 부풀어오를 수 있었던 것은 이러한 원소의 급속한 증가 덕분이다. 

대조적으로, 천왕성과 해왕성은 대부분 물, 암모니아, 메탄으로 이루어져 있다. 천문학자들은 일반적으로 이 분자들을 '얼음'이라고 부르지만, 행성이 처음 형성되었을 때 그 원소들이 고체 형태였을 가능성이 있다는 점을 제외하고는 그렇게 부를 만한 이유가 별로 없다.

▲ 천왕성의 모습. 사진=NASA, ESA, A. Simon (NASA-GSFC), and M. H. Wong (UC Berkeley); Image Processing: A. Pagan (STScI)

 ​천왕성과 해왕성의 녹색 또는 파란색 구름 꼭대기층 아래 깊숙한 곳에는 많은 물, 암모니아, 메탄이 있다. 그러나 이 얼음 거인은 아마도 특이한 양자 상태로 압축된 원소로 둘러싸인 암석 코어를 가지고 있을 것이다. 그 기이한 양자 상태는 일반적으로 어느 지점에서 표면에 가까워질수록 묽어지는 초고압 '수프'로 전환된다. 

​그러나 사실 우리는 얼음 거인의 내부에 대해 많이 알지 못한다. 우리가 이 두 세계에 대한 근접 데이터를 마지막으로 얻은 것은 30년 전, 보이저 2호가 역사적인 임무를 수행하던 때였다. 천왕성과 해왕성에 대한 우리의 견해는 망원경 관측으로 제한되었다. 

그 행성 내부에 무엇이 있는지 이해하기 위해 천문학자들과 행성 과학자들은 행성 내부의 조건을 복제하려면 그 빈약한 데이터를 실험실 실험과 결합해야 한다. 다행히 수학적 모델링은 천문학자들이 제한된 데이터를 기반으로 주어진 상황에서 무슨 일이 일어나고 있는지 이해하는 데 도움이 된다. 천문학자들은 수학적 모델링과 실험실 실험의 조합을 통해 천왕성과 해왕성이 이른바 '다이아몬드 비'를 가질 수 있음을 발견했다. 

다이아몬드 비에 대한 아이디어는 1977년에 발사된 보이저 2호 미션 이전에 처음 제안되었다. 추론은 매우 간단했다. 우리는 천왕성과 해왕성이 무엇으로 이루어져 있는지, 그리고 행성 중심으로 갈수록 물질이 더 뜨거워지고 밀도가 높아진다는 것을 알고 있다. 수학적 모델링은 이러한 행성 맨틀의 가장 안쪽 영역의 온도가 약 7000켈빈(6727C)이고, 압력이 지구 대기의 600만 배인 것과 같이 세부 사항을 알아내는 데 도움이 된다.​

동일한 모델은 맨틀의 가장 바깥쪽 층이 2,000K(또는 1727C)보다 약간 더 차갑고 압력이 다소 덜 강하다. 그래도 지구 대기압의 20만 배라고 한다. 따라서 다음과 같이 묻는 것이 당연하다. 그런 종류의 온도와 압력에서 암모니아와 메탄은 어떤 상태일까?

특히 메탄의 경우 강한 압력이 분자를 분해하여 탄소를 방출할 수 있다. 그런 다음 탄소는 형제를 찾아 긴 사슬을 형성한다. 그리고 긴 사슬이 함께 압착되어 다이아몬드와 같은 결정 패턴을 형성한다. 

▲ 해왕성의 모습. 사진=NASA, ESA, A. Simon (NASA-GSFC), and M. H. Wong (UC Berkeley); Image Processing: A. Pagan (STScI)

그런 다음 조밀한 다이아몬드 지층은 맨틀이 일정 온도로 뜨거워질 때까지 맨틀의 층을 통해 떨어져 맨틀에서 기화하고, 다시 위로 떠오른 후 순환을 반복한다. 그래서 '다이아몬드 비'라는 용어가 사용되는 것이다. 

이 아이디어를 검증하는 가장 좋은 방법은 우주선을 천왕성이나 해왕성에 보내는 것이다. 하지만 그것은 선택 사항이 아니므로 두 번째로 좋은 방법인 실험실 실험을 해야 한다. 

지구에서 우리는 목표물에 강력한 레이저를 쏘아 얼음 거인 내부에서 발견되는 온도와 압력을 매우 간단히 재현할 수 있다. 폴리스티렌(스티로폼이라고도 함)을 사용한 한 가지 실험은 나노 크기의 다이아몬드를 만들 수 있었다. 천왕성과 해왕성은 엄청난 양의 폴리스티렌을 포함하지 않지만, 실험실에서 처리하기가 메탄보다 훨씬 쉬웠고, 아마도 매우 유사하게 행동했을 것이다. 

또한 천왕성과 해왕성은 실험실 레이저보다 훨씬 더 오랫동안 이러한 압력을 유지할 수 있으므로 다이아몬드는 아마도 나노 크기보다 훨씬 더 커질 수 있다는 사실도 감안할 필요가 있다. 



그렇다면 최종 결과는 어떨까? 얼음 거인의 구성, 내부 구조, 실험실 실험 및 수학적 모델링 결과에 대해 우리가 알고 있는 모든 것을 바탕으로 볼 때 '다이아몬드 비'는 매우 실제적이라는 사실이다. 천왕성과 해왕성의 깊은 아래에서는 다이아몬드 비가 내리고 있을 것이다.

 

이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com 

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