태양계의 가장 먼 행성 해왕성은 천문학자들에게 여전히 수수께끼로 남아 있습니다. 단 한 번의 근접 탐사만으로 우리가 알게 된 이 행성은 형성 과정부터 내부 구조까지 기존 이론으로는 설명하기 어려운 특징들을 보여주고 있습니다. 이 글에서는 해왕성이 품고 있는 과학적 미스터리를 세 가지 핵심 키워드를 중심으로 살펴보겠습니다.
니스 모델이 밝힌 해왕성 형성의 비밀
천문학자들에 따르면 해왕성은 사실 존재해서는 안 되는 행성입니다. 태양계가 만들어지던 당시 지금 해왕성이 위치한 자리는 가스나 먼지의 양이 너무 희박했기 때문입니다. 현재의 해왕성만큼 거대한 가스 행성이 되려면 무려 100억 년 이상이 필요하다는 계산이 나왔지만, 태양계의 나이는 46억 살에 불과합니다. 이것은 마치 딸이 아빠보다 나이가 더 많은 것과 같은 모순으로, 이를 시간 척도 문제라고 부릅니다.
이 충격적인 모순을 처음 제기한 사람은 현대 행성 형성 이론의 아버지인 소련의 천문학자 빅토르 사프로노프였습니다. 하지만 그가 제기한 문제는 오랫동안 해결되지 못했습니다. 그러다 2005년 세계 최고 권위의 과학 저널 네이처지에 획기적인 논문 한 편이 게재되었습니다. 이 논문의 핵심 내용은 해왕성이 원래는 지금보다 훨씬 태양에 가까운 위치, 즉 가스와 먼지가 풍부한 토성 근처에서 태어났다는 것입니다. 덕분에 해왕성은 아주 짧은 시간 안에 폭풍 성장할 수 있었습니다.
하지만 행복은 오래가지 못했습니다. 목성과 토성이라는 거대한 형님들의 중력 싸움이 벌어지면서 막내였던 해왕성은 그 싸움에 말려들어 우주 바깥쪽으로 튕겨 나가 버렸습니다. 그래서 해왕성은 태양계에서 가장 먼 곳에 위치하게 되었다는 것이 이 이론의 핵심입니다. 이 태양계 생성 모델 연구는 네 명의 천문학자들이 프랑스 니스에 모여서 진행했다는 뜻에서 니스 모델이라는 이름으로 불리고 있으며, 현재 해왕성 형성에 대한 가장 유력한 시나리오로 거론되고 있습니다.
이러한 니스 모델의 제시는 행성들이 현재 위치에서 그대로 만들어졌을 것이라는 일반적인 직관을 깨트리는 중요한 발견이었습니다. 태양계가 안정적으로 고정된 구조가 아니라 초기에는 매우 역동적인 충돌과 이동의 과정을 거쳐 형성되었다는 사실을 보여주는 증거이기 때문입니다. 이는 단순히 해왕성 하나의 문제가 아니라 태양계 전체의 형성 과정을 이해하는 데 핵심적인 통찰을 제공합니다.
대흑점과 초음속 바람의 수수께끼
1989년 보이저 2호가 해왕성을 처음 근접 촬영했을 때 과학자들은 경악했습니다. 행성 표면에 거대한 멍자국 같은 검은 점, 바로 대흑점이 발견됐기 때문입니다. 이 점은 너무나도 거대해서 지구 하나가 통째로 들어가고도 남을 정도였습니다. 또한 해왕성의 대흑점 주변에서는 최대 시속 2,100km나 되는 초음속 바람이 불고 있었습니다. 2003년 한반도를 쑥대밭으로 만들었던 태풍 매미의 최대 풍속이 시속 약 195km였다는 점을 고려하면, 해왕성에서는 매미보다 무려 10배 이상 강력한 미친바람이 불고 있는 것입니다.
그런데 더욱 놀라운 사실은 1994년 허블 우주 망원경으로 다시 해왕성을 관측했을 때 대흑점이 감쪽같이 사라져 버렸다는 점입니다. 그리고 얼마 뒤 엉뚱하게도 북반구 쪽에서 새로운 작은 흑점이 발견되었습니다. 과학자들은 대흑점이 생겼다가 없어졌다가 또 다른 자리에 생기는 이 요상한 현상에 대한 원리를 아직 완전히 규명하지 못하고 있습니다.
사실 해왕성에서 이렇게 강력한 바람이 부는 것 자체가 과학적인 미스터리입니다. 에너지가 있어야 바람도 불 텐데 태양빛도 거의 닿지 않는 이곳에 도대체 무슨 에너지가 있다고 이런 바람이 부는 걸까요. 해왕성은 태양계 끝자락에 있어서 상층부 온도가 무려 영하 214도에 달하는 혹한 지옥입니다. 상식적으로 모든 게 꽁꽁 얼어붙어서 고요해야 정상이지만, 이 차가운 껍질을 뚫고 깊이 들어가면 반전이 일어납니다. 해왕성 내부는 5,000도가 넘는 펄펄 끓고 있는 상태이기 때문입니다.
놀랍게도 해왕성은 태양에서 받는 열보다 무려 2.6배나 더 많은 에너지를 스스로 뿜어내고 있습니다. 얼음 껍질 속에 뜨겁게 달궈진 어떤 물질이 들어 있는 것입니다. 이런 극단적인 온도 차이가 거대한 대류를 일으키고 바람을 막아줄 산맥이나 땅도 없다 보니까 한 번 불기 시작한 바람은 브레이크 없이 미친 듯이 가속해서 음속의 두 배까지 치솟게 됩니다. 이는 행성의 활동성이 단순히 태양과의 거리만으로 결정되는 것이 아니라 내부 물리 과정에 크게 좌우된다는 점을 명확히 보여주는 사례입니다.
트리톤의 역행 공전과 미래의 고리
해왕성의 주변에는 되게 말 안 듣는 유명한 자식이 있습니다. 바로 트리톤입니다. 위성은 일반적으로 모행성의 자전 방향과 동일하게 모행성을 공전하는데, 트리톤은 해왕성의 자전 방향과는 반대로 공전하고 있습니다. 물론 행성의 자전 방향과 반대로 공전하고 있는 위성들이 태양계에 알려진 것만 해도 100개 이상이지만, 유독 트리톤이 반대로 공전하고 있는 가장 대표적인 위성이 된 이유는 바로 크기 때문입니다.
트리톤의 지름은 2,700km로 지구의 달보다는 조금 작고 명왕성보다는 큽니다. 이렇게 큰 위성이 역행 공전을 하는 것은 매우 흔치 않은 현상입니다. 천문학자들은 트리톤이 원래는 카이퍼 벨트를 떠돌던 외행성이었을 것으로 추정합니다. 그런데 어느 날 해왕성 근처를 지나가다가 해왕성의 거대한 중력에 덜컥 붙잡혀서 해왕성에 강제로 납치된 것입니다. 트리톤은 납치된 게 얼마나 억울했는지 영하 235도의 얼음땅 밑에서 질소가 무려 8km 높이까지 폭발하고 있습니다.
해왕성을 역주행하고 있는 트리톤은 공전 궤도가 줄어들면서 해왕성 쪽으로 빨려 들어가고 있습니다. 과학자들은 트리톤이 수십억 년 뒤 해왕성의 로슈 한계 안으로 들어가서 산산조각 난 다음 해왕성의 고리가 될 것으로 예측하고 있습니다. 이 고리는 토성의 고리보다 훨씬 더 크고 아름다운 초거대 고리가 될 것이라고 합니다.
현재 해왕성도 토성처럼 고리를 가지고 있지만 숯검댕처럼 어두운 물질로 돼 있고 너무 얇아서 우리 눈에는 잘 보이지 않습니다. 특히 해왕성의 제일 바깥쪽에 있는 아담스 고리는 완전히 원형의 고리가 아니라 뚝뚝 끊겨져 있어서 마치 점선처럼 보입니다. 이 조각조각들을 호라고 하는데, 과학자들은 처음 이 호를 봤을 때 이게 물리학적으로 말이 안 되는 구조라고 생각했습니다. 우주 공간에 뿌려진 입자들은 시간이 지나면 골고루 퍼져서 매끈한 띠가 돼야 정상이기 때문입니다. 과학자들은 해왕성의 위성 갈라테아의 중력이 해왕성의 고리 모양을 바꿨다는 설명을 가장 유력하게 보고 있습니다.
해왕성의 또 다른 미스터리는 자기장입니다. 해왕성에서 자기장 축은 자전축에서 무려 47도나 기울어져 있고, 자기장의 중심이 해왕성 한가운데가 아니라 해왕성 바깥쪽으로 약 13,500km나 엇나가 있습니다. 그래서 해왕성에서 나침반을 든다면 바늘은 북쪽을 가리키는 게 아니라 제멋대로 춤을 출 것입니다. 과학자들이 지목한 가장 유력한 용의자는 바로 초이온 얼음입니다. 이것은 우리가 알고 있는 차가운 얼음이 아니라 해왕성 깊은 곳 압력이 너무 높아서 물이 끓지 못하고 강제로 얼어 버리는데 그 온도는 수천 도에 달하는 뜨거운 검은 얼음입니다. 산소 원자들은 단단한 고체처럼 뼈대를 이루고 있는데 그 사이로 수소 이온들이 액체처럼 자유롭게 흘러 다니는 고체이면서 동시에 액체인 아주 특이한 상태입니다.
인류 역사상 해왕성을 방문했던 탐사선은 1989년 보이저 2호가 유일하며, 이마저도 해왕성의 궤도를 돌았던 게 아니라 잠깐 지나가면서 사진을 찍었던 게 전부입니다. 해왕성은 너무 멀리 있기 때문에 탐사 난이도도 높고 비용도 많이 들어 우리 인류는 해왕성에 대해서 많은 걸 알지 못하는 상황입니다. 이러한 관측 자료의 한계는 해왕성에 대한 많은 설명이 모델링과 간접 관측에 기반한 추정일 수밖에 없다는 것을 의미하며, 알려진 사실과 가설의 경계를 명확히 구분하는 것이 중요한 이유이기도 합니다.
해왕성은 단순히 태양계의 가장 먼 행성이 아니라 형성 과정부터 내부 구조, 위성, 고리, 자기장까지 이어지는 복합적인 미스터리의 행성입니다. 니스 모델이 제시한 행성 이동 시나리오, 사라졌다 나타나는 대흑점의 수수께끼, 역행하는 트리톤의 미래까지 해왕성은 여전히 연구가 진행 중인 미완의 과학 대상입니다. 언젠가 우리 인류가 해왕성을 다시 탐사할 수 있는 날이 온다면 지금보다 훨씬 더 많은 비밀을 밝혀낼 수 있을 것입니다.
[출처]
영상 제목/채널명: https://youtu.be/U5eVzn6bx2I?si=uyNr8hmNfjFOowc9