명왕성에 선명한 하트무늬 생긴 이유 찾았다

2015년 7월 13일 NASA 뉴호라이즌스 우주선에 탑재된 LORRI(Long Range Reconnaissance Imager)가 촬영한 명왕성 이미지. 흑백 이미지에 저해상도 색상 정보를 결합했다.NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute 제공

명왕성이 유명해진 데는 표면의 하트 무늬가 큰 역할을 했다. 2015년 우주탐사선인 '뉴호라이즌스'가 보내온 명왕성 사진에 사랑의 표식인 하트 모양 지형이 선명하게 포착됐기 때문이다. 최근 이 하트 지형이 형성된 원인이 비교적 정확히 밝혀졌다.

해리 밸런타인 스위스 베른대 물리학연구소 우주 및 행성 과학 연구원이 이끄는 국제 공동연구팀은 3차원 시뮬레이션을 통해 겉은 얼음이고 내부는 암석인 직경 730km 가량의 충돌체가 반고체 상태의 명왕성에 시속 6km의 느린 속도로 비스듬히(15~30°) 충돌했을 때 지금과 같은 지형이 생성될 수 있음을 밝혔다.

하트 지형의 서쪽 부분인 스푸트니크 평원은 가로가 약 1200km, 세로가 약 2000km이다. 이 지역은 질소 얼음으로 채워져 있고 평원 중앙부가 주변부보다 높이가 3~4km 낮다. 이를 통해 연구자들은 과거 명왕성에 충돌이 있었음을 짐작하고 다양한 충격 시뮬레이션 모델을 이용해하트 지형의 형성 과정을 밝히고자 시도했다. 그러나 그 형태를 완벽히 재현하긴 어려웠다.

이번 연구팀은 보다 사실적인 충격 각도와 충돌체 구조, 복잡한 재료 및 동적 상호 작용을 고려한 시뮬레이션을 통해 하트 지형의 형성 과정을 규명했다. 연구팀에 따르면 충돌체는 명왕성의 얼음 맨틀에 박히며 타원형의 크레이터를 일시적으로 생성한다.

이때 충돌체 바깥 얼음층에서 떨어져나온 얼음들이 크레이터에 쌓인다. 충돌체의 핵은 명왕성의 핵 쪽으로 합쳐지며 지각 아래 밀도가 높은 물질이 집중된 부분인 '마스콘'을 형성한다.

연구팀은 자전하는 명왕성에서 스푸트니크 평원이 적도 부근에 위치할 수 있던 이유가 바로 마스콘 때문이라고 추측했다. 마스콘이 형성되지 않았더라면 충돌 후 지형이 함몰돼 질량이 상대적으로 적은 스푸트니크 평원은 회전 과정에서 극지방으로 이동했을 것이기 때문이다.

연구팀은 논문을 통해 "명왕성 정도의 질량을 가진 천체가 탈출 속도에 가까운 속도로 날아온 고체와 충돌하면 스푸트니크 평원과 유사한 이질적인 내부 구조를 생성하는 것으로 나타났다"며 "이번에 알아낸 충돌 메커니즘은 명왕성과 스푸트니크 평원에만 적용되는 것이 아니라 행성계 외곽 차가운 얼음 세계의 특성을 알아내는 데에도 중요한 단서가 될 것"이라고 말했다.

연구 결과는 4월 15일 '네이처 천문학'에 실렸다.(doi:10.1038/s41550-024-02248-1)

※관련기사
과학동아 6월호, 명왕성 하트무늬 정확한 생성 원인 밝혀져

[갈민지 인턴기자 willgominji@donga.com]