해왕성 미스터리 5가지 — 지금 그 자리에 있어서는 안 되는 행성 | 우주 여행

해왕성은 우리가 알고 있는 것과 다른 색깔을 하고 있고, 지금 그 자리에서 태어날 수도 없었습니다. 태양계 끝자락에 자리 잡은 이 행성에 대해 우리가 알고 있던 사실들이 하나씩 달라지고 있습니다.

해왕성은 원래 지금 자리에 없었다

태양계의 나이는 약 46억 년입니다. 그런데 해왕성이 지금 위치, 그러니까 태양에서 약 30AU(천문단위) 떨어진 자리에서 처음부터 형성됐다면 어떤 일이 일어났을까요?

계산해보면 문제가 생깁니다. 해왕성이 현재 위치에서 가스와 먼지를 모아 행성으로 자라려면 최소 100억 년 이상이 필요합니다. 태양계 나이의 두 배가 넘는 시간입니다. 태양계 전체가 다 만들어지고도 시간이 남아야 해왕성이 겨우 형성되는 셈입니다. 천문학에서는 이 모순을 "시간척도 문제"라고 부릅니다.

그렇다면 해왕성은 어디서 온 걸까요?

2005년, 프랑스 니스에서 활동하는 4명의 천문학자가 국제 학술지 네이처에 하나의 이론을 발표했습니다. 바로 "니스 모델"입니다. 이 모델에 따르면 해왕성은 지금 자리보다 훨씬 안쪽, 가스와 먼지가 풍부한 토성 근처에서 태어났습니다. 초기 태양계에서 목성과 토성이 서로 중력을 주고받으며 거대한 줄다리기를 벌였고, 그 과정에서 해왕성이 바깥쪽으로 튕겨 나갔다는 이야기입니다.

마치 당구공이 다른 공에 맞아 전혀 다른 방향으로 튀어나가는 것처럼, 해왕성도 거대 행성들의 중력 싸움에 밀려 지금의 자리까지 이동했다는 것입니다. 현재 태양계 형성 이론 중에서 가장 널리 받아들여지는 시나리오입니다.

태양계에서 가장 강한 바람이 부는 곳

1989년, 보이저 2호가 처음으로 해왕성에 근접해 사진을 찍었습니다. 인류 역사상 해왕성에 가장 가까이 접근한 탐사선이었고, 지금까지도 유일한 탐사 기록입니다.

이때 촬영된 사진에는 예상치 못한 것이 담겨 있었습니다. 해왕성 표면에 지구 하나가 통째로 들어가고도 남을 크기의 거대한 검은 소용돌이, "대흑점"이 있었던 겁니다. 그리고 이 대흑점 주변에서 측정된 바람의 속도는 최대 시속 2,100km였습니다.

이 수치를 실감하려면 비교 대상을 하나 떠올려 보는 게 도움이 됩니다. 2003년 한반도를 강타해 막대한 피해를 남긴 태풍 매미의 최대 풍속은 시속 195km였습니다. 해왕성 바람은 그것의 10배가 넘습니다.

내부 열이 초음속 바람을 만드는 원리

그런데 이상한 점이 있습니다. 해왕성은 태양에서 너무 멀리 떨어져 있어 태양 에너지를 거의 받지 못합니다. 그런데 어떻게 그렇게 강한 바람이 불 수 있을까요?

답은 해왕성 내부에 있습니다. 해왕성은 태양에서 받는 열보다 2.6배 많은 에너지를 내부에서 자체적으로 만들어 방출합니다. 행성 내부 온도는 5,000도를 넘습니다. 이 내부 열이 대기와 만나면서 엄청난 온도 차이가 발생하고, 그 결과가 시속 2,100km짜리 바람입니다.

한편, 1989년에 관측됐던 대흑점은 1994년 허블 우주망원경으로 다시 해왕성을 봤을 때는 이미 사라져 있었습니다. 지구의 허리케인처럼 생겼다 없어지는 현상인지, 다른 원인인지 아직 정확히 밝혀지지 않았습니다.

우리가 알던 해왕성 색깔은 가짜였다

해왕성 하면 어떤 색이 떠오르시나요? 대부분 짙고 선명한 딥블루, 깊은 바다색을 떠올릴 겁니다. 교과서에도 그렇게 나오고, 인터넷에서 검색해도 그 색깔이 나옵니다.

그런데 그 색깔은 실제 해왕성의 모습이 아닙니다.

1989년 보이저 2호가 찍은 해왕성 사진은 구름의 움직임이나 대흑점의 세부 구조를 잘 보이게 하려고 채도와 대비를 크게 높인 보정 이미지였습니다. 처음 공개될 때는 "색상 강조 처리된 이미지"라는 설명이 붙어 있었습니다. 하지만 사진이 인터넷과 책으로 퍼지는 과정에서 그 설명은 조용히 사라졌고, 보정된 색깔이 해왕성의 실제 색인 것처럼 굳어버렸습니다.

실제 해왕성의 색깔은 천왕성과 거의 구별하기 어려울 정도로 비슷한 청록색입니다. 보정 이미지에서 봤던 짙은 파란색과는 꽤 다릅니다. 해왕성과 천왕성 모두 대기에 메탄이 포함되어 있어 붉은 빛을 흡수하고 파란색 계열 빛을 반사하는 공통점이 있습니다. 그래서 두 행성의 실제 색은 비슷한 청록색을 띱니다.

수십 년간 "진한 파란색"으로 알려진 해왕성 이미지는 사진 보정의 부산물이 진실처럼 굳어진 사례입니다.

내부에서 다이아몬드 비가 내린다는 게 사실일까

해왕성의 내부 온도는 5,000도를 넘고, 압력은 상상을 초월합니다. 이 극한 환경에서 흥미로운 일이 벌어집니다.

해왕성 대기에는 메탄이 포함되어 있습니다. 메탄은 탄소와 수소로 이루어진 분자입니다. 행성 깊은 곳으로 내려갈수록 온도와 압력이 극적으로 높아지면서 메탄 같은 탄소화합물이 분해됩니다. 분리된 탄소 원자들은 그 엄청난 압력 속에서 서로 단단하게 결합하고, 다이아몬드가 됩니다.

실험실에서 검증된 나노다이아몬드

이것이 단순한 이론으로만 남아 있지 않다는 점이 중요합니다. 과학자들이 실험실에서 해왕성 내부와 비슷한 극한 환경을 인위적으로 재현했더니, 탄소가 실제로 나노다이아몬드 결정으로 변하는 것이 관측됐습니다. 다이아몬드 비가 내린다는 주장이 실험으로 뒷받침된 것입니다.

더 나아가, 일부 과학자들은 해왕성 가장 깊은 곳에 이 다이아몬드들이 오랜 시간 쌓여 거대한 산을 이루고 있을 가능성도 제기합니다. 지구에서는 수억 년에 걸쳐 지하 깊은 곳에서 만들어지는 다이아몬드가, 해왕성에서는 끊임없이 내부에서 "비처럼" 쏟아지고 있을 수 있다는 것입니다.

해왕성 내부는 또 다른 특이한 물질도 품고 있습니다. 수천 도의 고온에서 산소는 고체처럼 단단한 뼈대를 유지하면서 수소 이온은 그 사이를 액체처럼 흐르는 "초이온 얼음"이라는 상태가 존재한다고 알려져 있습니다. 이 상태가 해왕성의 비틀린 자기장을 만드는 원인으로 추정됩니다. 참고로 해왕성의 자기장은 자전축에서 47도나 기울어져 있고, 자기장 중심이 행성 중심에서 13,500km나 엇나가 있는 비대칭 구조를 가집니다.

위성 트리톤의 운명: 수십억 년 후 초거대 고리가 된다

해왕성에는 14개의 위성이 있습니다. 그중 가장 큰 트리톤은 지름이 2,700km로, 달보다는 약간 작고 명왕성보다는 큽니다. 태양계에서 달처럼 행성 주위를 도는 위성 중에서 꽤 큰 축에 속합니다.

트리톤에는 매우 이상한 점이 있습니다. 해왕성이 자전하는 방향과 반대 방향으로 공전합니다. 태양계의 대부분 위성은 모행성의 자전과 같은 방향으로 돕니다. 함께 태어난 쌍처럼요. 그런데 트리톤은 혼자 반대 방향입니다.

왜 그럴까요? 트리톤은 해왕성과 함께 태어난 위성이 아닐 가능성이 높습니다. 원래 태양계 가장자리, 카이퍼벨트를 떠돌던 독립적인 천체였는데, 어느 시점에 해왕성의 중력에 포획됐다는 것이 과학자들의 추정입니다. 외부에서 잡혀 온 천체라 공전 방향이 해왕성 자전 방향과 맞지 않는다는 설명입니다.

그리고 트리톤에는 비극적인 운명이 기다리고 있습니다.

역방향으로 공전하면 공전 궤도가 자연스럽게 줄어드는 현상이 발생합니다. 트리톤은 아주 조금씩, 하지만 꾸준히 해왕성으로 가까워지고 있습니다. 수십억 년이 지나면 트리톤은 행성의 중력이 위성을 산산조각 낼 수 있는 경계선인 "로슈 한계" 안쪽으로 들어오게 됩니다. 그때 트리톤은 조각조각 부서지고, 그 파편들이 해왕성 주위를 감싸면서 거대한 고리를 형성하게 됩니다.

과학자들은 그 고리가 지금 토성의 고리보다 훨씬 크고 화려할 것으로 예측합니다. 먼 미래의 일이지만, 해왕성은 지금 그 준비를 아주 천천히 진행 중입니다.

해왕성을 탐사하기가 이렇게 어려운 이유

해왕성에 관한 정보의 거의 대부분은 1989년 보이저 2호 하나에서 나왔습니다. 플라이바이, 즉 옆을 스쳐 지나가며 관측하는 방식이었고, 이것이 인류가 해왕성에 보낸 탐사선의 전부입니다.

지구에서 해왕성까지의 거리는 엄청납니다. 빛의 속도로도 4시간 이상 걸립니다. 탐사선이 도달하려면 수십 년이 필요합니다. 이 거리 때문에 해왕성 탐사 계획은 오랫동안 우선순위에 올라가지 못했습니다.

그래서 해왕성은 여전히 모르는 것이 아는 것보다 많은 행성입니다. 태양계에서 46억 년 동안 존재해 왔지만, 인류가 직접 가서 살펴본 시간은 고작 1989년 하루의 플라이바이가 전부입니다. 다이아몬드 비가 실제로 내리는지, 자기장이 왜 그렇게 기울어져 있는지, 대흑점이 어떤 주기로 생겼다 사라지는지, 아직 확실한 답이 없습니다.

그만큼 해왕성은, 알면 알수록 질문이 더 많아지는 행성입니다.