명왕성 속 숨겨진 바다 "힌트는 하트"
명왕성 속 숨겨진 바다 "힌트는 하트"
  • 함예솔
  • 승인 2019.05.31 12:30
  • 조회수 1960
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뉴호라이즌스 호~ 출처: NASA
뉴허라이즌스 호. 출처: NASA

지난 2015년 7월, NASA의 뉴허라이즌스 호(New Horizons spacecraft)는 한 때 태양계 행성 중 하나였던 명왕성을 통과해 지나갔는데요. 덕분에 과학자들은 최초로 지구로부터 멀리 떨어진 명왕성과 그 위성의 클로즈업 사진을 얻어낼 수 있었습니다. 뉴허라이즌스 호가 보내온 사진은 놀라웠는데요. 명왕성의 지형이 예상과 달랐기 때문입니다.  


가스 하이드레이트가 '단열재' 역할

 

이전 연구를 통해 명왕성은 지하에 바다가 존재하고, 다층성(multilayer) 대기가 있으며 유기화합물, 고대 호수의 증거와 다중위성을 가진 것으로 파악됐습니다. <Nature Geoscience>에 게재된 연구에 따르면 명왕성이 액체 상태의 물을 내부에 품고 있을 수 있던 배경에는 '가스 하이드레이트'로 이뤄진 층이 단열재 역할을 했기 때문으로 보입니다.

불타는 얼음, 가스 하이드레이트 출처: 유튜브/USGS
불타는 얼음, 가스 하이드레이트 출처: 유튜브/USGS

가스 하이드레이트는 영구 동토층이나 심해저의 저온·고압 상태에서 탄소(C)성분의 기체인 천연 가스가 물 분자와 결합해 생기는 고체물질입니다. 일명 '불타는 얼음'으로 불리기도 하죠. 

 

명왕성이 주는 힌트

명왕성 속 하트~ 출처: NASA/JHUAPL/SwRI
명왕성의 고화질 하트. 출처: NASA/JHUAPL/SwRI

명왕성 사진 속 스푸트니크 평원(Sputnik Planitia)을 자세히 봐주세요. 하트 모양의 하얀색 구간 보이시나요? 이 하얀색 분지는 명왕성의 적도 부근에 있습니다. 크기는 미국 남서부에 위치한 텍사스주와 비슷하다고 합니다. 얼음 형태의 질소로 이뤄져 있으며 너비는 1,000km에 이른다고 하는데요. 이 평원은 명왕성 지하에 바다가 있다는 사실에 대한 힌트를 줍니다.

 

NASA의 뉴허라이즌스 호의 관측에 따르면 스푸트니크 평원은 명왕성의 조력축(tidal axis)과 정렬돼 있었는데 이는 명왕성의 가장 큰 위성인 카론(Charon)의 중력을 끌어당기는 방향이기도 했습니다. 과학자들은 스푸트니크 평원 부근에 집중돼 있는 추가적인 질량 때문에 명왕성이 카론과 나란한 방향으로 조정된 것이라고 생각했습니다. 

명왕성 지표에 하트, 스푸트니크 평원은 중요해요. 출처: James Tuttle Keane. Maps of Pluto and Charon by NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute.
명왕성 지표에 하트, 스푸트니크 평원은 중요해요. 출처: James Tuttle Keane. Maps of Pluto and Charon by NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute.

<Nature>에 게재된 이전 연구에 따르면 스푸트니크 평원에 추가된 질량은 얼음 형태의 질소와 지하에 매장된 물에서 나온 것으로 추정됐는데요. 이는 과거 스푸트니크를 형성한 혜성이 명왕성에 충돌하며 그 지역이 산산 조각났고 이 때문에 지하 깊은 곳에서 물이 솟아오르며 형성됐다고 합니다. 그래서 이 평원 지하에 해양이 있다고 믿는 겁니다.

명왕성의 밝은색의
명왕성의 밝은색의 '하트' 지역은 적도 근처에 위치해 있다. 왼쪽 절반이 스푸트니크 평원(Sputnik Planitia)라고 불리는 큰 분지. 출처: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute.

그런데 이러한 사실은 명왕성의 나이를 고려해봤을 때 모순됩니다. 왜냐하면 내부에 해양이 존재한다고 했더라도 이미 오래전에 얼었어야 했고, 해양 쪽을 향해 있는 얼음 껍데기의 내부층이 평평해야 했기 때문입니다. 이에 연구진은 무엇이 지하의 해양을 얼지 않도록 따뜻하게 유지시켜 내부 껍질을 고르지 않게 만들었는지 찾기 시작했습니다. 연구진들은 스푸트니크 평원에 가스 하이드레이트의  단열층(insulating layer)이 존재할 것이라는 가설을 세웠습니다. 왜냐하면 가스 하이드레이트는 점성이 높고 열전도도가 낮기 때문에 단열의 특성을 지닐 수 있었기 때문입니다. 

 

이에 연구진은 태양계가 형성되기 시작한 46억년 동안의 기간을 컴퓨터 시뮬레이션 해봤습니다. 시뮬레이션은 명왕성 내부의 열적·구조적 진화를 보여줬습니다. 그리고 지하의 해양이 얼어붙고 얼음층이 균일하게 두꺼워지는데 필요한 시간을 보여줬습니다. 연구진은 이 시뮬레이션을 이용해 명왕성에 가스 하이드레이드 층이 있을 때와 없을 때를 비교해보았습니다. 그 결과 가스 하이드레이트가 없을 경우 명왕성 지하의 해양은 이미 수 억년 전에 꽁꽁 얼어붙었어야 합니다.

 

하지만 가스 하이드레이트 층 덕분에 해양은 오늘날까지 얼지 않고 남아있을 수 있었습니다. 또한  가스 하이드레이트 층이 없을 경우에는 두꺼운 얼음 껍질이 균일하게 바다 위로 형성되기 까지는 약 100만년이라는 시간이 걸렸지만, 있을 경우 10억년 이상의 시간이 걸린다는 사실을 알아냈습니다. 이 시뮬레이션 결과는 스푸트니크 평원의 얼음 지각 지하에 액체상태의 해양이 오랫동안 존재하고 있을 가능성을 뒷받침해줍니다. 

명왕성 내부 구조 모습. 가스 하이드레이트 층은 지표면 아래 해양이 얼지 않도록 해주는 절연체 역할을 해준다. 출처: Hokkaido University
명왕성 내부 구조 모습. 가스 하이드레이트 층은 지표면 아래 해양이 얼지 않도록 해주는 절연체 역할을 해준다. 출처: Hokkaido University

연구팀은 단열층을 이루는 성분이 명왕성의 핵으로부터 나온 '메탄'일 가능성이 높다고 믿고 있습니다. 왜냐하면 명왕성 대기에 메탄이 부족하기 때문입니다. 따라서 메탄이 가스 하이드레이트 층에 붙잡혀있다는 가설을 세우게 된 것입니다. 

 

이러한 연구 결과에 대해 연구원들은 명왕성 지하에 존재하는 해양의 존재는 어쩌면 우주 전체를 놓고 봤을 때 매우 흔한 일일지도 모른다고 결론지었습니다. 이번 연구의 주요 저자인 훗카이도 대학교 Shunichi Kamata은 "이는 이전 생각보다 우주에 더 많은 바다가 존재할지도 모른다는 것을 의미할 수 있으며 외계생명체의 존재를 그럴 듯 하게 만들 수 있다"고 전했습니다. 

 


##참고자료##

 


 



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