천왕성의 얼음 위성 미란다에 ‘물의 비밀’이 숨어 있다?[아하! 우주]

[서울신문 나우뉴스]

1986년 1월 24일 NASA의 보이저 2호가 포착한 천왕성의 얼음 위성 미란다.(출처: NASA/JPL-Caltech)

지난 수십 년 동안 행성 과학자들은 현재 또는 과거 어느 시점에 내부 해양을 품고 있을 수 있는 태양계의 위성 목록을 꾸준히 추가해왔다. 예컨대 유로파나 엔셀라두스처럼 대부분의 경우는 가스 행성인 목성이나 토성과 중력적으로 연결되어 있다.​

하지만 최근 행성 과학자들은 태양계에서 가장 차가운 거대 얼음 행성인 천왕성에 관심을 돌리고 있다. ​

보이저 2호 우주선이 촬영한 이미지를 기반으로 한 새로운 연구에 따르면, 작은 천왕성의 얼음 위성인 미란다가 한때 표면 아래에 수심 깊은 액체 물 바다를 가졌을 수 있다고 한다. 더욱이 그 바다의 흔적이 오늘날에도 미란다에 남아 있을 수도 있다는 가능성을 시사한다.​

1986년 1월 보이저 2호가 지구를 떠난 지 9년 만에 미란다를 2만 9000km 근접 통과했을 때 남반구의 이미지를 포착했다. 그 결과 나온 사진에는 홈이 있는 지형, 거친 경사면, 분화구가 있는 지역을 포함하여 표면에 다양한 지질학적 특징들이 흩어져 있었다.​

존스홉킨스 응용물리학연구소(APL)의 행성 과학자인 톰 노드하임과 같은 연구자들은 표면 특징을 분해공학으로 연구하여 미란다의 기괴한 지질을 설명하고, 마란다가 지금처럼 보이게 된 이유를 가장 잘 설명할 수 있는 내부 구조의 유형을 알아내고자 했다.​

이 팀은 보이저 2호가 본 균열과 능선과 같은 미란다의 다양한 표면 특징을 매핑한 다음, 그 표면에서 볼 수 있는 응력 패턴을 가장 잘 설명할 수 있는 위성 내부의 다양한 구성을 테스트하는 컴퓨터 모델을 개발했다.​

컴퓨터 모델은 표면의 응력 패턴과 달의 실제 표면 지질을 가장 잘 일치시키는 내부 구성이 미란다 표면 아래에 1억~5억 년 전에 있었던 깊은 바다의 존재라는 것을 발견했다. 그들의 모델에 따르면, 바다의 수심은 100km로 측정되었으며, 30km의 얼음 지각 아래에 묻혀 있었다.

1986년 1월 24일 보이저 2호가 천왕성의 위성 미란다에 근접하면서 촬영한 이 사진에서 복잡한 지질학적 역사를 보여준다. (출처: JPL)

미란다의 지름은 불과 470km로, 바다가 달 전체의 거의 절반을 차지했을 것이다. 이러한 바다를 발견할 가능성이 있는 위성은 극히 드물다.

노르트하임은 “미란다와 같은 작은 물체 내부에서 바다의 증거를 찾는 것은 엄청나게 놀라운 일”이라며 “이것은 천왕성의 이러한 위성 중 일부가 정말 흥미로울 수 있다는 이야기를 뒷받침하는 데 도움이 된다. 태양계에서 가장 먼 행성 중 하나 주변에 여러 개의 바다 세계가 있을 수 있다는 것이다. 이는 흥미롭고 기이한 일”이라고 설명했다.

연구자들은 미란다와 근처의 다른 위성 사이의 상호 조석력이 미란다의 내부를 액체 바다를 유지할 만큼 따뜻하게 유지하는 데 중요했을 것이라고 추측한다. 미란다의 내부가 상호 조석력에 반응하여 지속적으로 작용함으로써 과거 다른 위성과의 궤도 공명으로 증폭되었고, 이로 인해 얼지 않을 정도로 따뜻하게 유지할 수 있는 충분한 마찰 에너지가 생성되었을 수 있었을 것이다.​

마찬가지로 목성의 위성인 이오와 유로파는 2:1 공명을 한다(이오가 목성을 두 번 공전할 때마다 유로파는 한 번 공전). 이로 인해 유로파 표면 아래에 바다를 유지할 수 있는 충분한 조석력이 발생한다.​

미란다는 결국 다른 천왕성 위성 중 하나와 동기화가 맞지 않아 내부를 따뜻하게 유지하는 메커니즘이 무효화되었다. 하지만 연구자들은 미란다가 아직 완전히 얼지는 않았다고 생각한다. 만약내부 바다가 완전히 얼었다면 바닷물이 팽창하여 표면에 뚜렷한 균열이 생겼어야 하기 때문이다.​

노르트하임은 “미란다로 돌아가서 더 많은 데이터를 수집하기 전까지는 바다가 있는지 확실히 알 수는 없다”며 “보이저 2호의 이미지에서 과학 퍼즐의 마지막 조각을 맞추고 있다. 지금은 가능성에 흥분하고 천왕성과 잠재적인 바다 위성을 심층적으로 연구하기 위해 돌아가고 싶다”라고 덧붙였다.​

이 새로운 연구는 10월 15일 ‘행성과학’ 저널에 게재됐다.

이광식 과학 칼럼니스트 joand999@naver.com