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- NASA의 주노 우주선이 2016년 여름 목성에 도착해 처음으로 가까이에서 관측
- 핵은 예상보다 밀도와 무게가 낮았고, 수소-헬륨 껍질과의 명확한 경계도 없었다.
- 행성 형성의 특정 단계에서 특히 강한 대류발생으로 핵과 외피가 부분적으로 혼합됐을 가능성

목성의 중심부 미스터리
가스 행성의 초기 충돌은 목성의 "마모된" 핵을 설명할 수 없다

목성의 중심부에 미스터리가 숨겨져 있다. 목성의 핵은 놀라울 정도로 가볍고 마모되어 있는데, 그 이유는 무엇일까? 행성 연구자들은 이제 하나의 가설을 검증했다. 연구 결과에 따르면, 목성의 초기 충돌조차도 목성의 지나치게 가벼운 핵을 설명할 수 없다. 시뮬레이션 결과, 충돌 하루 만에 새롭고 밀도가 높은 행성 핵이 형성되었을 것으로 나타났다. 그렇다면 목성의 마모된 핵은 어떻게 생겨났을까? 

▲ 초기 충돌이 목성의 놀랍도록 얇고 마모된 핵을 설명할 수 있을까? © Thomas Sandnes

현재 이론에 따르면, 목성이나 토성과 같은 가스 행성도 기체 외피와 명확하게 분리된 단단한 핵을 가지고 있다. 암석 행성처럼, 이 핵은 강착, 즉 작은 얼음과 암석 조각들이 모여 거대한 원시행성을 형성하는 과정을 통해 형성된다. 목성의 경우, 이 핵은 원시 구름이 사라지기 전에 많은 양의 가스를 흡수할 만큼 빠르게 성장했다. 이로 인해 수소와 헬륨으로 이루어진 강력한 외피가 형성되었다. 이것이 바로 이론이다.

"얇아진" 핵의 미스터리

NASA의 주노 우주선이 2016년 여름 목성에 도착해 처음으로 가까이에서 관측했을 때 놀라운 사실이 드러났다. 측정 결과 목성의 핵은 예상보다 밀도와 무게가 낮았고, 수소-헬륨 껍질과의 명확한 경계도 없었다. 대신, 중심부는 무거운 원소와 가벼운 원소가 혼합되어 있으며, 바깥쪽으로 갈수록 점차 가벼워지는 것으로 나타났다.

▲ 주노 우주선의 측정 결과, 목성의 핵은 현재 행성 모델이 예측하는 것보다 더 가볍고 마모되어 있는 것으로 나타났다. © NASA/ JHUAPL/ SwRI

하지만 이를 어떻게 설명할 수 있을까? 휴스턴 라이스 대학교의 샹페이 류(Shang-Fei Liu)가 이끄는 행성 연구진은 2019년 여름, 한 가지 가설을 제시했다. 이 가설에 따르면, 어린 목성은 지구 질량의 약 10배에 달하는 원시행성과 충돌했을 가능성이 있다. 이 원시행성은 목성의 가스 행성 깊숙이 침투하여 내부를 심하게 뒤흔들어 놓았고, 목성은 오늘날까지도 핵이 회복되지 않았다. 따라서 여전히 얇고 "닳아빠진" 핵이 존재하는 것이다.

행성 대재앙 시뮬레이션

하지만 문제는 "류 교수와 그의 팀은 목성 내부 깊숙한 곳에 있는 금속 수소의 복잡한 반응을 포착하지 못하는 이상적인 상태 방정식을 사용했다"는 것이다. 이러한 단순화로 인해 다른 측면들도 제외됐다. 따라서 샌드네스(Sandnes)와 그의 팀은 충돌 시나리오를 다시 실행했는데, 이번에는 더욱 복잡한 유체역학 시뮬레이션을 사용했다.

▲ 그림 2. 충돌 전 목성 핵-외피 경계면을 대표하는 물질 및 조건을 사용한 KHI 성장. 스냅샷은 tSPH 공식과 REMIX를 사용한 시뮬레이션의 두 배를 보여준다. 개별 입자는 회색 배경에 표시되고 물질 유형과 밀도에 따라 색상이 지정. 모든 z 축에 있는 입자가 표시되므로, 초기 조건에서 z 축 격자 정렬을 유지한 영역에서 회색 배경이 보인다. (출처:No dilute core produced in simulations of giant impacts on to Jupiter / 04 July 2025 / Monthly Notices of the Royal Astronomocal Society)

▲ 그림 3. 목성형 물질 및 조건에 대한 RTI는 그림 2와 같이 표시되어 있습니다. 스냅샷은 tSPH 공식과 REMIX를 사용한 시뮬레이션을 세 번 반복한 결과를 보여준다. 시뮬레이션 상단과 하단의 고정 경계 입자 영역은 그림에서 잘려나갔으며, 위치와 밀도는 변하지 않았다. (출처:No dilute core produced in simulations of giant impacts on to Jupiter / 04 July 2025 / Monthly Notices of the Royal Astronomocal Society)

이 시나리오에서는 얼음과 암석으로 이루어진 원시행성(지구 질량의 약 10배)이 오늘날과 같은 질량을 가진 어린 목성과 마찬가지로 지구 질량의 약 10배인 단단한 얼음-암석 핵과 충돌한다. 이 충돌은 초기에 치명적인 결과를 초래했다. 연구진은 "REMIX 시뮬레이션에서 충돌 후 약 2.5시간 후에 강한 혼합이 발생했다. 이 시점에서 핵과 충돌체는 최대로 파괴되어 수소-헬륨 껍질과 혼합됐다"고 보고했다.

단 10시간 만에 새로운 핵 형성

하지만 여기서 끝나지 않았다. 이전 시뮬레이션과는 달리, 젊은 목성의 엄청난 중력은 무거운 원소들이 핵으로 매우 빠르게 가라앉도록 한다. "핵 시스템이 안정화되고, 중력의 영향으로 물질들이 다시 분리된다. 약 10시간 후에는 서로 거의 분리된다"고 Sandnes와 그의 팀은 보고했다. 이로 인해 젊은 목성의 중심부에 새로운 핵이 형성됐다.

▲ 두 가지 시뮬레이션 변형에서의 충돌 시퀀스. 위 시뮬레이션의 매개변수는 2019년 연구의 매개변수와 동일하다. © Sandnes et al./ MNRAS, CC-by 4.0

▲ 목성에 대한 거대 충돌의 REMIX 시뮬레이션 스냅샷. 충돌 매개변수 b와 속도 v에 따라 다름. 충돌 속도는 두 천체의 상호 탈출 속도에 따라 조정됨. 시간은 핵 붕괴와 충돌 후 오랜 시간이 지나 중원소들이 침전되어 희석되지 않은 핵을 형성하는 시점에 해당함. 입자는 물질 유형과 밀도에 따라 색상이 지정됨. (출처:No dilute core produced in simulations of giant impacts on to Jupiter / 04 July 2025 / Monthly Notices of the Royal Astronomocal Society)

이러한 현상은 연구진이 충돌 각도나 속도, 또는 충돌하는 원시행성의 질량을 변화시켰을 때도 분명하게 나타났다. 연구팀은 "모든 시뮬레이션에서 무거운 원소들은 짧은 시간 후에 가라앉아 다시 분화된 핵을 형성했다"고 기술했다. 이 목성의 핵은 껍질과 명확하게 분리되어 있으며, 현대 목성과 같이 얇고 마모된 핵은 형성되지 않았다.

목성만이 유일한 것은 아니다.

샌드네스와 그의 팀에 따르면, 이러한 결과는 충돌 시나리오에 반하는 주장이다. "시뮬레이션 결과, 그러한 충돌은 행성의 핵까지 말 그대로 흔들릴 수 있지만, 목성의 현재 내부 구조를 설명할 수 있는 방식은 아니다"고 샌드네스는 말했다. 지구를 포함한 태양계의 많은 행성이 초기에 대규모 충돌과 충돌을 경험했지만, 목성의 경우 그러한 충돌만으로는 이 가스 행성의 특이한 핵을 설명하기에 충분하지 않다.

▲ 두 가지 시뮬레이션 버전의 충돌 시퀀스. 위쪽의 매개변수는 2019년 연구의 매개변수와 일치한다. © Sandnes et al./ MNRAS, CC-by 4.0

그리고 또 다른 사실이 있다. 목성은 핵에 놀라울 정도로 많은 가벼운 원소를 포함하고 가스 외피가 점차 대기로 변하는 유일한 가스 행성이 아니다. 2021년 여름, 행성 연구원들은 토성에서도 이러한 증거를 발견했다. "토성 또한 이처럼 희석된 핵을 가지고 있다는 사실은 이러한 구조가 드물고 특히 강력한 충돌의 결과가 아니라 행성 형성과 진화의 오랜 과정을 거쳐 점진적으로 발달했다는 가정을 강화한다"고 오슬로 대학교의 공동 저자인 루이스 테오도로(Luis Theodoro)는 말했다.

수수께끼는 계속돼

거대 가스 행성들의 이례적으로 가볍고 마모된 핵을 형성한 과정은 여전히 ​​불분명하다. 한 가지 가능성은 산드네스와 그의 동료들이 설명하는 것처럼, 미행성체의 늦고 특히 오랫동안 지속된 강착이 어린 가스 행성의 내부를 뒤흔들었다는 것이다. 그러나 행성 형성의 특정 단계에서 특히 강한 대류가 발생하여 핵과 외피가 부분적으로 혼합되었을 가능성도 있다.

"이러한 진화 경로는 단일의, 다소 발생 가능성이 낮은 충돌보다 더 유망할 수 있다. 특히 우리 결과에 따르면, 가장 극한의 조건에서도 희석된 핵을 생성할 수 없기 때문이다"고 연구팀은 결론지었다.
참고: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2025; doi: 10.1093/mnras/staf1105)
출처: Royal Astronomical Society, Durham University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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