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[이광식의 천문학+] ‘기이한 토성의 달’ 타이탄은 왜 지구와 비슷할까?

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▲ NASA의 카시니 우주선이 수집한 13년 간의 데이터를 통합해 만든 토성의 위성 타이탄의 6개 이미지.(출처: NASA/JPL-Caltech/University of Nantes/University of Arizona)

토성의 위성인 타이탄의 표면은 묘하게도 지구와 상당히 비슷한 모습을 보여주고 있는데, 새로운 연구가 마침내 그 이유를 밝혀냈다. 

토성의 가장 큰 위성인 타이탄은 반지름이 달의 약 1.5배인 2,575km이고 질량은 1.8배나 된다. 목성의 가니메데에 이어 태양계에서 두 번째로 큰 위성으로, 크기만으로 따진다면 수성보다 더 크다. 

이러한 타이탄은 지구 비슷한 표면 형태로 과학자들의 관심을 끌고 있는데, 호수와 강, 미로 같은 협곡, 부드러운 모래언덕 등 지구와 매우 유사한 풍경을 자랑한다. 그러나 타이탄의 이러한 지질 구조는 지구와는 완전히 다른 재료로 만들어진 것이다. 강을 이루어 흐르는 액체는 물이 아니라 메탄이며, 모래 대신에 탄화수소가 모래언덕으로 불어온다. 

수년 동안 과학자들은 지구 같지 않은 구성을 감안할 때 이러한 풍경이 어떻게 생겨났는지에 도무지 알 수가 없었지만, 이제 그들은 매우 그럴듯한 이론을 찾아냈다. 

타이탄의 퇴적물은 고체 유기 화합물로 만들어졌다는 것이 이론적으로 밝혀졌기 때문에 지구에서 발견되는 규산염 기반의 퇴적물보다 훨씬 더 부서지기 쉽다. 따라서 질소 바람과 액체 메탄은 타이탄의 퇴적물을 미세한 먼지가 되도록 마모시킴에 따라, 다양한 구조를 유지할 수가 없게 된다. 

스탠퍼드 대학의 지질학 조교수인 마티유 라포트가 이끄는 연구 팀은 이에 관해 잠재적인 해결책을 제시했다. 화학적 침전 현상과 바람 그리고 계절적 변화의 조합이 타이탄의 지형을 이같이 만들었다고 생각한다. 

연구원들은 지구에서 발견될 수 있는 것으로, 타이탄과 유사한 구성을 가진 어란석 입자(魚卵石粒子/Ooids)라고 불리는 퇴적물의 유형을 연구했다.

어란석 입자는 매우 미세한 입자를 형성하는 열대 바다에서 찾을 수 있다. 이 입자는 화학적 침전을 통해 물질을 축적하고 바다에서 침식되는데, 결과적으로 일관된 크기를 유지하게 된다.

연구원들은 타이탄에서도 비슷한 일이 일어날 것이라고 생각한다. 라포트는 성명에서 "우리는 이웃 입자들이 한 덩어리로 융합되는 침전이 바람이 입자들을 운반할 때 나타나는 마모 현상을 상쇄할 수 있다고 가정했다"라고 밝혔다. 

그런 다음 팀은 카시니 임무 중에 기록된 타이탄의 대기 데이터를 분석하여 이러한 퇴적물이 토성 주변에서 관찰되는 매우 다른 지질학적 특징을 형성할 수 있었던 방법을 결정했다.

 연구원들은 타이탄의 적도 주변에서 바람이 더 심하게 분다는 것을 발견했으며, 이는 모래언덕 형성을 위한 최적의 조건을 만든다. 그러나 다른 곳에서는 약한 바람으로 인해 보다 거친 입자들이 형성되고, 결과적으로 더 단단한 퇴적암이 형성될 것이라고 연구팀은 추정하고 있다. 

타이탄에서 부는 바람은 지구에서 일어나는 것과 마찬가지로 단단한 암석을 보다 미세한 퇴적물로 침식할 수 있다. 게다가 타이탄은 우리 태양계에서 지구 외에 계절적 액체 수송 주기가 있는 유일한 천체로 알려져 있기 때문에 라포트의 팀은 액체 메탄의 움직임이 침식과 퇴적물 발달에도 기여할 가능성이 있다는 가설을 세웠다.



라포트는 "지구나 화성의 경우와 마찬가지로 타이탄에서도 게절에 따른 간헐적인 마모 현상과 침전 작용을 통해 위도에 따라 달라진 지형을 설명할 수 있는 활성 퇴적 주기가 있음을 보여준다"라고 설명하면서 "지구와는 그렇게 다르면서도 매우 유사한 세계가 어떻게 지금까지 존재하게 됐는지 탐구해보는 것은 대단히 매력적인 작업"이라고 덧붙였다. 

새로운 연구는 4월 1일 '지구물리학연구회보'(Geophysical Research Letters)에 게재되었다. 

이광식 과학 칼럼니스트 joand999@naver.com

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