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- 천왕성과 해왕성은 얼음으로 뒤덮인 외래종; 태양계에서 4극 자기장을 가진 유일한 행성
- 암석 행성도 아니고 가스 거대 행성도 아님. 고밀도 가스 외곽 아래 탄화수소 맨틀
- 탄화수소는 약 2,300도와 19~27기가파스칼의 압력에서 다이아몬드로 변환
- 천왕성과 해왕성의 맨틀 상층부에 조건이 이미 존재, 다이아몬드 형성 관찰

해왕성과 천왕성에는 다이아몬드 비가 내린다.
얼음 거인 내부의 열과 압력이 탄소를 다이아몬드 결정으로 압축한다.

행성의 보석 비:
얼음 행성인 천왕성과 해왕성 내부에 다이아몬드 비가 내리고 있다는 것이 실험에서 확인됐다. 두 얼음 거인의 압력과 온도는 탄화수소를 분해하고 탄소를 다이아몬드 결정으로 압축하기에 충분하다. 결정은 행성의 핵심쪽으로 가라 앉고 천왕성과 해왕성이 원래보다 따뜻한 이유를 설명할 수 있다. 팀이 "자연 천문학"에서 보고한 것처럼 그들의 특이한 다극 자기장은 다이아몬드 비로 인한 것일 수도 있다. 

▲ 다이아몬드는 얼음 행성 천왕성과 해왕성의 맨틀에서 형성되어 깊은 내부로 비가 내린다. © European XFEL / Tobias Wüstefeld

천왕성과 해왕성은 얼음으로 뒤덮인 외래종이다. 이들은 태양계에서 4극 자기장을 가진 유일한 행성이며 암석 행성도 아니고 가스 거대 행성도 아니다. 대신, 밀도가 높은 가스 껍질 아래에는 지구에 존재하지 않는 이국적인 화합물을 포함하여 얼음, 암모니아, 암석 조각 및 다양한 탄화수소 맨틀이 있다. 이러한 현상은 훨씬 더 작은 우리의 고향 세계보다 두 행성의 내부에 더 많은 열과 압력이 있기 때문에 발생한다.

메탄과 CO에서 다이아몬드까지

이제 천왕성과 해왕성은 그 안에 진짜 보물을 가지고 있다는 것이 밝혀졌다. 실험에서 확인된 것처럼 아마도 그 안에 다이아몬드가 쏟아지고 있을 것이다. 캘리포니아에 있는 SLAC 국립 가속기 연구소의 Mungo Frost가 이끄는 팀은 두 개의 얼음 행성 내부에서 탄화수소가 붕괴되는 조건을 연구하기 위해 실험을 수행했다. 이전 연구는 방출된 탄소로부터 다이아몬드가 형성될 수 있다고 이미 제안했다.

그러나 얼마나 많은 압력과 열이 필요할까? 천왕성과 해왕성 내부 조건이 충분할까? 연구원들은 “지금까지 이에 대해 많은 의견 차이가 있었다”고 설명한다. 레이저로 구동되는 메탄의 충격 압축 실험에 따르면 다이아몬드는 140GPa(기가파스칼) 이상의 압력과 3,700도 이상의 열에서만 형성되는 것으로 나타났다. 그러나 다른 실험에서는 훨씬 낮은 값이 나왔고, 일부 연구자들은 금속 레이저 흡수체에 의한 오염으로 인한 것일 수 있다고 생각한다.

▲ 얼음 거인 천왕성과 해왕성의 도식적 구조. © NASA

얼음 거대 아날로그로서의 고압 실험

불일치를 명확히 하기 위해 Frost와 그의 팀은 유럽 XFEL X선 레이저에서 새로운 실험을 수행했다. 이를 위해 그들은 적합한 모델로 간주되는 탄화수소 폴리스티렌(폼과 스티로폼의 일반적인 기초)을 다이아몬드 스탬프 셀의 압력 증가에 노출시켰다. 동시에 짧은 X선 레이저 펄스를 사용하여 샘플을 가열하고 X선 산란을 사용하여 재료의 구조를 모니터링했다. 금속 오염을 방지하기 위해 그들은 비반응성 금을 레이저 흡수체로 사용했다.

결과:
탄화수소는 약 2,300도와 19~27기가파스칼의 압력에서 다이아몬드로 변환되었다. 약 30㎲(마이크로초) 후에 매우 미세한 다이아몬드 가루가 생성된다. Frost와 그의 팀은 “약 40㎲ 후에 더 큰 다이아몬드 결정이 형성되기 시작하는데, 이는 산란 패턴에서 명확하게 보이는 지점에서 볼 수 있다”고 말했다. 전반적으로 이러한 다이아몬드는 이전에 가정했던 것보다 더 낮은 압력과 더 적은 열에서 생성된다.

다이아몬드 비는 열과 자기장에 영향을 미친다

천왕성과 해왕성의 경우 이는 "우리가 다이아몬드 형성을 관찰한 천왕성과 해왕성의 맨틀 상층부에 조건이 이미 존재한다는 것을 의미한다"고 Frost와 그의 동료들은 말했다. 이 두 얼음 거인 내부에는 깊은 내부로 가라앉는 다이아몬드가 있다. 다이아몬드 결정이 쏟아찌는 것이다.

이 다이아몬드 비는 열 균형과 두 얼음 거인의 자기장에도 영향을 미친다. 전자의 이유는 탄화수소가 분해되어 다이아몬드로 변환될 때 열이 방출되기 때문이다. “다이아몬드의 형성 깊이가 얕기 때문에 다이아몬드가 가라앉고 더 많은 잠재적인 열이 발생하게 된다”고 연구원들은 설명한다. 이것은 행성이 태양으로부터의 거리에도 불구하고 상대적으로 따뜻한 이유를 설명할 수 있다.

▲ 붕괴하는 탄화수소로 형성된 다이아몬드는 얼음 행성의 상부 맨틀에서 깊은 곳으로 가라앉는다. © European XFEL / Tobias Wüstefeld

두 번째 효과: 다이아몬드 비는 가스와 얼음을 깊은 곳으로 끌어들여 두 얼음 행성의 맨틀에 대류를 일으킬 수 있다. 전도성 분자도 움직이기 시작하기 때문에 해왕성과 천왕성의 특이한 자기장에 기여할 수 있다. Frost와 그의 팀은 “대류와 그에 따른 발전기 활동은 얼음 거인의 복잡한 다극 자기장의 기원으로 여겨진다”고 썼다.

외계 미니 해왕성에도 다이아몬드가 있다

새로운 발견은 외계 행성과 기타 천체에도 중요하다. 현재 결정된 더 낮은 압력과 온도에서 탄화수소가 다이아몬드로 변한다면 이는 이전에 생각했던 것보다 더 작은 천체에서도 일어날 수 있다. “태양계의 얼음 달보다 10GPa 더 크지만 밀도가 얼음이 풍부한 구성과 일치하고 크기가 지구와 해왕성 사이에 있는 많은 외계 행성이 이미 발견됐다”고 팀은 설명했다.

이는 예를 들어 상대적으로 흔한 하위 해왕성 내부에 다이아몬드 비가 있을 수도 있다는 의미다. Frost와 그의 동료들은 “이 작은 해왕성은 풍부한 물과 풍부한 물 때문에 특별한 관심을 끌고 있다”고 썼다. “만약 다이아몬드가 그 안에 형성된다면, 이는 지구 역학, 대기 구성 및 행성 진화에 영향을 미칠 수 있다.
(Nature Astronomy, 2024; doi: 10.1038/s41550-023-02147-x)
출처: Nature, European XFEL

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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