천왕성은 왜 누워 있을까
천왕성은 왜 누워 있을까
  • 함예솔
  • 승인 2020.04.12 21:55
  • 조회수 2880
  • 댓글 0
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태양계에서 옆으로 누워있는 행성이 있죠? 바로 천왕성인데요. 천왕성은 태양 둘레의 궤도면에 거의 누운 채로 자전하기 때문에 여름철, 천왕성의 북극은 거의 직접적으로 태양을 향합니다. 적도 부근에 고리를 가지고 있는 토성과 목성과 달리, 천왕성은 거의 수직에 가까운 형태의 고리를 지니고 있습니다. 또한 기울어진 적도 부근에서 고리들 틈 사이에 드문 드문 존재하는 위성은 각기 다양한 궤도를 가지고 돌고 있습니다. 

옆으로 쓰러져 있는 천왕성. 출처: NASA
옆으로 쓰러져 있는 천왕성. 출처: NASA

천문학자들은 과거 무엇으로부터 천왕성이 충격을 받았을 것으로 추측합니다. 충돌이 사실이라면 천왕성의 자전 주기 또한 빠르게 만든 것으로 보입니다. 17시간마다 한 번씩 자전하니까요. 자전축이 기울어진 것 역시 극적인 충돌의 결과라고 과학자들은 믿고 있죠.

 

그러나 시뮬레이션은 오늘날 우리가 보고 있는 현재의 천왕성 시스템을 구현할 뿐이죠. 때문에 과거에 발생했던 충돌 과정에 대한 자세한 부분은 여전히 밝혀지지 않았습니다. 예를 들어 오늘날 천왕성의 총 질량을 고려할 때 이러한 시뮬레이션 모델에서 충격 후 먼지 원반의 질량은 예상보다 더 큰 경향이 있습니다.

 

그런데 <Nature Astronomy>에 게재된 연구에 따르면 한 연구팀이 얼어 붙은 행성 주위의 위성이 형성되는 걸 조사하기 위해 새롭게 고안된 모델링을 통해 태양계 역사 초기, 천왕성이 지구 질량의 약 1~3배 정도 되는 작고 얼음으로 뒤덮힌 차가운 행성과 충돌했던 것을 시사했는데요. 이 사건은 천왕성을 옆으로 넘어뜨리고 특이한 위성과 고리시스템을 남겨놓았을 것으로 추측됩니다.

 

'차가운' 행성과 부딪혔다는게 핵심

 

차가운 행성과 부딪혔다는 것이 핵심이라는 데요. 연구원들은 차갑고 어두운 태양계 외부에서의 거대한 충돌과 지구의 달을 형성했던 것과 같은 태양 가까운 곳에서 발생한 충돌 사건은 다른 결과를 가져온다는 사실을 발견했습니다. 

화성 크기 만한 천체가 지구에 부딪히며 달 탄생~ 출처: NASA/JPL-Caltech
화성 크기 만한 천체가 지구에 부딪히며 달 탄생~ 출처: NASA/JPL-Caltech

태양 가까운 곳에서 발생하는 충돌은 원시지구와 화성 크기의 천체인 테이아(Theia)를 포함하고 있는데요. 두 천체는 모두 주로 얼음보다는 암석이 많이 포함돼 있습니다. 따라서 충돌로 우주로 발사돼 날아가는 물질들은 다소 빠르게 굳어지며 새롭게 태어난 위성은 중력에 붙잡히게 되는데요. 달을 만든 충돌 사건을 생각해보세요. 지구에 화성 크기 만한 물체가 부딪히면서 물질을 궤도로 뿌렸고, 이 파편들이 큰 덩어리로 합쳐지면서 달이 형성됐습니다. 

 

반면 천왕성에 충돌한 천체는 물과 암모니아 같은 휘발성 물질이 많아 기체 상태로 더 오래 남아 있게 됩니다. 이에 원시 천왕성은 이 기체의 대부분을 먹어 치우며 성장했고 적게 남은 물질들은 천왕성 주변에 위성을 형성한 것으로 보입니다.

 

정리하자면, 이번 연구의 모델링에 따르면 천왕성에 충돌한 천체는 얼음처럼 차갑고 컸으며 질량은 오늘날 지구보다 1~3배 컸다는 사실을 알 수 있습니다. 이번 연구를 주도한 일본 도쿄공과대학교 지구생명과학연구소(Earth-Life Science Institute)의 Shigeru Ida는 "이 모델은 천왕성의 위성 시스템 구성을 최초로 설명한 것으로 해양성과 같은 우리 태양계의 다른 얼음으로 뒤덮인 행성들의 구성을 설명하는데 도움이 될 수 있을 것"이라고 밝혔습니다. 

지구 닮은 외계행성은 계속 늘어나고 있어요. 출처: NASA, MIT
 외계행성 계속 늘어나고 있어요. 출처: NASA, MIT

최근 몇 년 간 과학자들이 발견한 새로운 외계행성 들 가운데, 가장 일반적인 유형이 천왕성과 해왕성과 매우 유사하다고 하는데요. 이러한 외계행성 역시 대부분 얼음으로 이뤄져 있기 때문에 천왕성과 해왕성 같은 거대한 얼음 행성의 형성과정을 이해하는 건 나아가 잠재적으로 우리가 거주할 수 있는 행성의 진화를 이해하는 데 큰 도움이 될 것입니다. 

 


##참고자료##

 

  • Ida, Shigeru, et al. "Uranian satellite formation by evolution of a water vapour disk generated by a giant impact." Nature Astronomy (2020): 1-6.


 


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