해왕성 내부에서 일어나는 일

최근의 연구에 따르면, 가장 외곽에 위치한 거대 행성인 해왕성에는 폭풍이 발생하는 표면 아래쪽 깊은 곳이 다이아몬드가 작은 방울 모양으로 형성되며 철과 같이 단단하고 노란색으로 빛나는 이상한 형태의 얼음이 있는 층이 존재할지도 모른다고 합니다.

 

태양계의 깊고 추운 곳에 있는 바다처럼 푸른 해왕성은 천왕성처럼 망원경 시대에 그저 발견만 되어 있었습니다. 해왕성은 1846년 그 안쪽 행성들의 궤도를 교란하는 무거운 천체를 세심하게 찾던 중 발견됐지만, 천왕성처럼 1989년에 보이저 2호가 그 근처에 접근하기 전까지 우리가 해왕성에 대해 아는 것은 거의 없었습니다.

 

역동적인 행성

해왕성은 천왕성과 그 크기가 거의 비슷함에도 불구하고, 고요한 천왕성과는 매우 다릅니다. 보이저호가 도착했을 때, 해왕성은 대흑점이라 불리는 거대한 폭풍으로 뒤덮여 있었습니다. 확연한 날씨의 띠들과 고도가 높은 흰구름이 있었는데, 이 흰구름의 움직임을 통해서 해왕성이 시속 2,100km에 이르는, 전체 태양계에서 가장 빠른 바람을 갖고 있음이 밝혀졌습니다.

 

태양으로부터의 거리가 지구의 30배가 되는 곳에 위치한 해왕성은 그러한 활발한 기상 시스템에 에너지를 공급하기에는 너무 적은 태양광을 받지만, 여러 측정에 의하면 그 표면 온도는 천왕성과 비슷했습니다. 계산을 통해서 해왕성은 태양으로부터 받는 에너지의 2.6배에 해당하는 에너지를 방출한다는 것이 밝혀졌는데, 이는 그 내부에 강력한 에너지원이 존재함을 나타냅니다. 

 

해왕성의 내부 구조와 천왕성과 해왕성 모두가 가진 강력한 자기장에 관해 설명하려는 시도는 이 거대한 외행성들 내부의 상황에 대한 놀라운 발견으로 이어졌습니다.

 

내부의 거대 가스 행성인 목성, 토성과 뚜렷한 차이점을 가진 천왕성과 해왕성은 종종 얼음덩어리 행성이라고 일컬어집니다. 목성과 토성은 깊이와 압력에 따라 다른 형태를 띠는 수소로 뒤덮여 있지만, 천왕성과 해왕성은 수소를 거의 갖고 있지 않습니다. 대신 그들은 화학 용어로 결정이라고 불리며 낮은 녹은 점을 갖는 무거운 원소들로 가득 차 있습니다. 이 안에는 얼음이 포함됩니다.

 

거대한 얼음 덩어리인 이 행성들은 대기에 약간의 메탄이 존재하기 때문에 뚜렷한 푸른색을 띤다. 메탄이 들어오는 태왕광의 붉은색을 흡수한 결과 행성이 더 짧은 푸른색 파장만 다시 반사하기 때문이다.                                                               

압력을 받다

가스 행성인 목성이나 토성에서는 깊이가 깊어짐에 따라 온도와 압력이 상승하는데, 그 결과 온도가 상승해도 얼음은 우리가 알고 있는 방식으로 녹지 않습니다. 대신 그것들은 대략 섭씨 2,000~5,000의 온도에서 행성의 맨틀을 구성하는 뜨거운 화학적 슬러시가 됩니다. 각 행성부 중심부에는 암석질의 핵이 있는데, 아마도 그 크기는 화성만 할 것입니다.

 

목성과 토성의 내부 에너지원은 이 행성들이 점차 냉각되고 중력적으로 수축하면서 생기는 것으로 여겨지지만, 켈빈-헬름홀츠 수축만으로 해왕성의 내부에서 생산되는 에너지를 설명하기에는 충분하지 않습니다. 대신에 천문학자들은 해왕성 내부의 특정 깊이에서 화학적 전이가 발생되는 것이 틀림없다고 믿습니다.

 

1999년 캘리포니아 주립대학교 버클리의 로라 로빈 베네데티 연구팀은 압력이 지구 대기의 약 25만 배가 되는 해왕성의 표면 아래 7천 km 부근에서 주목할만한 과정이 일어나고 있을지도 모른다고 주장했습니다. 그들은 레이저로 가열한 다이아몬드 앤빌을 이용하여 소량의 메탄 샘플에 극한의 온도와 압력을 가했습니다.

 

이를 통해서 메탄은 이전에 생각했던 것보다 훨씬 쉽게 구성 성분으로 분해된다는 사실이 밝혀졌는데, 이때 탄소와 수소 원자가 방출되어 서로 반응함으로써 다른 탄화수소 분자를 형성할 뿐 아니라, 순수한 수소와 다이아몬드 결정 형태의 탄소를 만들어 냈습니다. 만약 해왕성의 내부가 이 실험 결과처럼 행동한다면, 표면 아래 깊은 곳에서는 미세한 다이아몬드들이 그 주위로부터 만들어져서 다이아몬드 비로 내릴 것입니다. 베네데티 팀은 이 과정을 통해서 방출된 열이 중력 수축 효과와 결합해서 다이아몬드와 탄화수소를 생성시켜 아래로 가라앉게 하고 가벼운 수소는 위로 떠오르게 함으로써 해왕성의 내부 발전소에 연료를 공급했다고 주장했습니다.

 

강철처럼 단단한

2005년 캘리포니아에 소재한 로렌스 리버모어 국립 연구소의 알렉스 곤차로프 연구팀은 유사한 장치를 사용해 동일한 국한의 압력 하에서의 물의 행동을 연구했습니다. 얼음덩어리 행성의 내부는 녹는점 이상으로 가열된 얼음이 화학적 슬러시 형태의 이상한 혼합물로 존재하지만 강한 압력에 의해 고체 형태로 유지되고 있는 것이라고 여겨졌는데, 리버모어 실험은 그러한 조건에서 발생하는 현상에 대한 최초의 자세한 탐구였습니다.

 

지구 대기압의 47만 배의 압력 아래에서 섭씨 1,300도로 가열된 물의 스펙트럼을 분석한 결과 그 물이 이상한 초이온 상태를 띠게 된다는 것을 알게 됐습니다. 처음에는 예상했던 대로 물 분자가 수정 같은 격자로 얼어버렸지만, 압력이 상승함에 따라 분자들은 산소와 수소로 쪼개졌는데, 산소는 격자 구조 안에 고정된 채로 남아있었고, 수소는 자유롭게 움직였습니다.

 

리버모어 실험은 단지 몇십 개 물 분자의 행동을 추적했지만, 전체적으로 초이온 물은 강철처럼 단단했고 노란색으로 빛났다. 이 이상한 얼음 사이를 돌아다니는 수소 이온이 거대한 얼음 외행성들의 이상한 자기장을 만들어 내는 데 중요한 역할을 할 수도 있습니다.