태양계 밖 행성 내부엔 돌 섞인 얼음층 있다

이용재 연세대 교수팀, '흐린 경계부' 존재 제시

물이 풍부한 외계 행성 내부 구조를 형상화한 그림. 맨틀 내부의 물층(파란색)이 암석층(갈색)과 섞여 점진적인 변화를 보인다. 연세대 제공

국내 연구진이 천왕성과 같은 거대 얼음층을 가진 행성의 내부가 지금까지 알려진 것과는 다른 새로운 구조를 가질 수 있음을 실험으로 확인하는 데 성공했다. 

이용재 연세대 지구시스템과학과 교수팀은 물이 많은 태양계의 천왕성과 해왕성을 포함해 물이 풍부한 태양계 바깥의 외계 행성 내부에는 물(얼음)층과 암석층이 섞여 있는 ‘흐린 경계부’가 존재할 수 있다는 사실을 알아내고 천문학 분야 국제학술지 ‘네이처 천문학’ 18일자에 발표했다. 

그간 물(얼음)이 풍부한 행성은 무거운 암석층 위에 상대적으로 가벼운 물층이나 얼음층이 위치하고, 이들 두 층은 명확한 경계면을 형성해 분리돼 존재하는 것으로 추정됐다. 

이 교수팀은 실험실에서 행성의 맨틀에 해당하는 고온 고압의 환경을 만들고, 이때 맨틀에 가장 많은 감람석이 물과 어떻게 반응하는지 X선 회절법을 이용해 조사했다. 그 결과 감람석을 구성하는 마그네슘이 빠져나와 고온·고압 상태의 물에 녹고, 이로 인해 감람석은 규산염 광물로 바뀌면서 물과 감람석의 경계부가 흐려진다는 사실을 발견했다. 

이 교수팀은 이 같은 결과를 토대로 2017년 발견된 외계 행성인 트라피스트(TRAPPIST)-1f의 맨틀에도 넓은 구간에 걸쳐 ‘흐린 경계부’가 존재할 것으로 예상했다. 

트라피스트-1f는 지구와 크기가 비슷하지만 질량은 지구의 3분의 2수준이어서 물이 풍부할 것으로 예상된다. 만약 이 외계 행성의 물 함량이 전체 행성 질량의 50%가량이라고 가정하면 맨틀 내부의 물층과 암석층의 경계부에는 대기압의 25만에 이르는 고압이 가해지고, 이에 따라 맨틀의 넓은 구간에 걸쳐 물층과 암석층이 명확히 구분되지 않고 섞인 흐린 경계부를 가질 수밖에 없다. 

연구팀은 이를 통해 천왕성의 맨틀 상부에도 약 3%에 해당하는 구간에서 물과 광물의 반응이 활발히 일어나는 흐린 경계부가 존재할 것으로 예상했다. 

이 교수는 “흐린 경계부를 구성하는 물층 내부의 광물질 함량은 지구의 바닷물에 포함된 염분의 함량 정도일 것”이라며 “염분이 포함된 물은 순수한 물과 물성에서 많은 차이가 나타나는 것처럼 행성 내부도 열 보존이나 자기장 형성에 많은 영향을 미칠 것”이라고 말했다. 

[이현경 기자 uneasy75@donga.com]