Saturn’s insides are sloshing around

토성의 출렁이는 내부를 살펴봤더니…

최근 국제학술지인 '네이처 천문학'에 발표된 연구 논문에 따르면, 토성의 핵은 고체라기보다 유체에 가까우며 크기도 이전 추정치에 비해 훨씬 더 큰 것으로 나타났다.

토성은 지름이 약 28만 킬로미터에 달하는 거대한 고리를 가지고 있는 태양계에서 매우 특이한 행성인데, 내부 구조 역시 꽤 특이한 것으로 밝혀졌다. 지난 8월 16일 국제학술지인 <네이처 천문학(Nature Astronomy)>에 발표된 새로운 연구에 따르면, 태양으로부터 여섯 번째에 있는 행성인 토성의 핵은 단단한 암석이 아니라 얼음, 바위, 금속성 유체가 뒤섞인 채 출렁이고 있는 상태임이 밝혀졌다.

이는 상당히 놀라운 발견이 아닐 수 없다. 캘리포니아공과대학의 행성 과학자이자 이 새로운 연구의 공저자인 크리스토퍼 만코비치(Christopher Mankovich)는 동료인 짐 퓰러(Jim Fuller)와 함께 “토성이나 목성의 내부 구조에 대한 기존의 그림은 암석 또는 얼음으로 된 조밀한 중심부가 수소와 헬륨으로 된 저밀도의 바깥층으로 둘러싸여 있는 그림이었다”고 말했다.

만코비치와 퓰러가 발견한 것은 본질적으로 이 기존 구조가 흐릿해진 형태다. 무거운 암석 및 얼음과 가벼운 성분들을 나누는 확연한 경계 대신에 핵이 진동하고 있어서 단일하고 분명한 구분이 없다는 사실을 발견했다.

이 묽은 핵은 토성 반경의 약 60%까지 확장된다. 이는 기존의 핵이 차지했던 토성 반지름의 10~20%에서 엄청나게 도약한 값이다.

이 연구에서 가장 열광할 만한 면 중 하나는 이 발견이 핵을 직접 측정하여 얻은 결과가 아니라는 점이다. 이전에는 결코 할 수 없었던 방식이다. 대신 만코비치와 퓰러는 2004년부터 2017년까지 토성계를 탐사했던 미 항공우주국(NASA)의 카시니(Cassini) 임무 당시 처음으로 수집한 토성 고리에서의 지진계 자료를 활용했다.

만코비치는 “토성은 기본적으로 늘 종처럼 울린다”고 말했다. 핵이 흔들리면서 주변 고리에 영향을 미치는 중력 섭동이 발생해 측정 가능한 미묘한 ‘파동’이 생성된다는 것이다. 행성의 핵이 진동하고 있을 때 카시니 탐사선이 토성의 C고리(행성으로부터 두 번째 고리)를 관찰할 수 있었고, 핵에 의해 발생하는 작지만 한결같은 중력의 ‘울림’을 측정할 수 있었다.

만코비치와 퓰러는 이 데이터를 살펴보고 이러한 지진계 파동을 설명할 만한 토성의 구조에 대해 모형을 만들었다. 그 결과가 바로 모호한 내부이다. “현재까지 이 연구가 유체 행성(fluid planet)의 묽은 핵 구조에 관한 유일한 직접적 증거이다.” 만코비치가 말했다.

만코비치와 퓰러는 이런 구조가 비롯된 이유를 토성의 중심부 근처에 있는 암석과 얼음이 수소에 용해되어 핵이 고체가 아닌 유체처럼 움직이기 때문이라고 생각한다. 이들의 모형은 토성의 묽은 핵이 암석과 얼음을 포함하여 지구 전체 질량의 17배 이상이 된다는 점을 암시한다. 따라서 많은 물질이 흔들리고 있음을 알 수 있다.

묽은 핵은 토성의 작동 방식에 몇 가지 큰 영향을 미칠 수 있다. 가장 중요한 점은 대류열에 맞서 토성 내부를 어느 정도 안정화할 것이란 점이다. 그렇지 않을 경우 대류열이 토성의 내부를 휘저을 것이다. 사실 이런 안정화로 인해 토성의 고리에 영향을 미치는 내부 중력파가 발생한다. 게다가 이 묽은 핵 모형으로 토성의 표면 온도가 기존의 대류 모형이 제안한 것보다 더 높은 이유도 설명할 수 있을 것이다.

그럼에도 불구하고 만코비치는 몇 가지 중요한 측면에서 이 모형이 제한적이라는 사실을 인정한다. 이 모형으로는 토성의 자기장에 대해 과학자들이 관측해온 바를 설명할 수 없다. 토성의 자기장은 여러 면에서 특이하다 (예를 들어, 자기장의 회전축은 토성의 자전축과 거의 완벽하게 일치하는데, 이는 매우 특이한 일이다). 만코비치와 퓰러는 앞으로의 조사를 통해 토성의 내부를 더욱 면밀하게 파악하고, 토성의 핵이 자기장에 어떤 영향을 미칠 수 있는지에 대한 단서를 얻을 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이들은 또한 NASA의 주노(Juno) 임무로 목성 내에서도 유사한 묽은 핵을 발견할 수 있기를 바라고 있다. 이는 태양계에서 다른 행성에 비해 상대적으로 크기가 큰 ‘대행성(giant planets)’이 형성될 때 이 과정에서 자연적으로 순수하고 단단한 핵이 아니라 물질의 불균질성(gradients of material)이 만들어진다는 추정을 확인하는 데 큰 도움이 될 것이다. 주노가 수집한 중력 데이터를 이용한 일부 연구도 이 개념을 뒷받침하는 것으로 보인다.

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