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* 토성(Saturn)의 핵은 행성 지름의 약 60%를 차지하고 질량은 지구 55개에 달한다.
* 중력장 측정은 가스 거인에게만 의미가 없다.압축가스 움직임이 신호를 가리기 때문
* 토성의 고리를 일종의 거대한 지진계처럼 사용하여 행성 내부의 진동을 측정
* 가능한 설명은 젊은 토성이 암석 물질과 가스를 거의 동시에 끌어당겼다는 것

토성은 "구멍이 많은 해면 같은" 핵을 가지고 있다.
고리 행성의 핵심은 예상보다 크고 명확하게 정의된 단단한 구체가 아니다.

고체 대신 "퍼지":
가스 행성 토성의 핵심은 단단한 암석 덩어리가 아니라 질척한 것이 퍼져 있다.
액체 수소와 헬륨은 얼음과 암석 아래에서 혼합되어 코어를 "묽게"한다. 동시에, 토성의 핵은 가정된 것보다 훨씬 더 많은 공간을 차지하고 있다. 연구원들이 전문 잡지 "Nature Astronomy"에서 보고한 바와 같이 토성의 핵은 행성 지름의 약 60%를 차지하고 질량은 지구 55개에 달한다. 

▲ 토성의 핵은 단단한 구체가 아니라 연구자들이 발견한 것처럼 놀라울 정도로 퍼져있고 "얇아졌다". © Caltech/R. Hurt (IPAC)

목성과 마찬가지로 토성은 가스 거인이다.
표면이 단단하지 않지만 무엇보다도 물과 헬륨을 비롯한 가스로 주로 구성돼 있다.
깊이가 증가함에 따라 이러한 가스는 점차 액체가 되고 특정 압력 이상에서는 수소가 금속 상태로 변한다. 현재 이론에 따르면, 행성의 핵심만 단단한 암석으로 구성되어 있다.

그러나 토성의 핵이 어떻게 구성되고 정확히 어디에서 시작되는지는 지금까지 불분명했다.
이유는 지구와 다른 암석 행성에서 사용되는 중력장 측정은 가스 거인에게만 의미가 없다.
압축가스의 움직임이 코어의 신호를 가리기 때문이다.

"지진계"로서의 고리(Ring)

최근 두 명의 미국 천문학자가 고리를 사용하여 토성의 내부를 더 정확하게 측정하는 방법을 찾았다. "우리는 토성의 고리를 일종의 거대한 지진계처럼 사용하여 행성 내부의 진동을 측정했다"고 California Institute of Technology의 짐 풀러(Jim Fuller)가 설명한다.

특히 Fuller와 그의 동료 크리스토퍼 만코비치(Christopher Mankovich)는 NASA의 카시니(Cassini) 우주선이 13년 동안의 임무를 수행하는 동안 기록했던 C-링의 진동을 포함해 미묘한 진동을 분석했다.

하이라이트:
이 고리 진동은 행성 중력의 변동으로 인해 발생하며 이러한 진동 중 일부는 코어의 특성과 토성의 깊은 내부 영역에 따라 다르다. 고리는 이러한 소위 g 모드를 증폭하고 측정 가능하게 만들기 때문에 토성의 내부에 대한 정보를 제공한다.

▲ NASA의 카시니(Cassini) 우주선이 13년 동안의 임무를 수행했다.

놀랍도록 크고 퍼져있다.

풀러는 "이러한 방식으로 거대 가스의 구조를 지진학적으로 조사할 수 있는 것은 이번이 처음이며 결과는 매우 놀라웠다"고 말했다. 데이터에 따르면 토성의 핵은 이전에 생각했던 것보다 더 크다. 연구원들이 보고한 바와 같이, 핵은 행성 반경의 60%의 외부로 확장된다.

놀라운 사실은 토성의 핵이 단단하고 명확하게 정의된 암석 덩어리가 아니라 다소 확산되고 점진적으로 시작된다는 점이다. 그것은 주로 그 안의 물질이 큰 순환 전류를 나타내지 않는다는 사실에 의해 상층과 구별된다. 그러나 암석 맨틀에서 금속 코어로의 지상 전이에서와 같이 조성에는 명확한 차이가 없다. 대신 토성의 내부는 더 점진적으로 변하며 이는 코어 내에서도 계속된다.

Mankovich는 "행성의 중심에 가까울수록 더 많은 얼음과 암석이 액체 가스와 혼합된다"고 설명했다. 그러나 더 깊은 코어에서도 질감은 얼음, 암석, 액체 수소와 헬륨의 진흙 혼합물보다 단단한 구체와 비슷하지 않다.

토성의 핵심은 "얇아졌다“

새로운 데이터에 따르면, 토성 핵의 얼음과 암석의 무게는 약 지구 질량의 17배이지만 전체 핵은 약 지구 질량 55배다. 이것은 토성의 핵이 지구의 핵에 비해 가벼운 원소로 인해 많이 얇아졌다는 것을 의미한다. 그럼에도, 이 "질척한" 코어는 상층과 더 섞이지 않고 고리 진동이 암시하는 것처럼 행성의 중심에서 전체적으로 "주위를 돌고 있다".

연구자들이 설명하듯이, 이러한 새로운 결과는 고리 행성의 특성 중 하나를 설명할 수 있다. 그것은 태양으로부터의 먼 거리를 고려할 때 예상할 수 있는 것보다 훨씬 더 많은 열복사를 방출한다. 이것은 해류에 의해 혼합되지 않는 토성의 큰 코어 때문에 더 그럴듯해진다.
풀러와 만코비치는 "이 크고 안정적으로 성층화된 지역은 행성의 냉각을 지연시켰을 것"이라고 말했다. 따라서 토성은 내부에 초기 열을 훨씬 더 많이 보유하고 있다.

<이것이 토성의 핵이다. © Caltech>

행성 형성 모델이 여전히 정확할까?

이러한 새로운 발견은 토성이나 목성과 같은 가스 거인의 내부 작동에 대해 완전히 새로운 빛을 제공할 뿐만 아니라 일반적인 행성 형성 모델을 곤란에 빠뜨린다. 이에 따르면 가스 행성은 먼저 단단한 암석 코어를 형성하여 형성되기 때문이다. 큰 중력으로 인해 특히 많은 수의 가스를 끌어들이고 따라서 가스 행성이 된다. 이 행성의 핵심은 더 작은 암석 행성의 내부 이후에 이 시나리오와 유사해야 한다.

토성의 경우는 분명히 그렇지 않다.
이에 대한 가능한 설명은 젊은 토성이 암석 물질과 가스를 거의 동시에 끌어당겼다는 것이다. 사실, 일부 최근 연구에서는 목성에 대해서도 이러한 형태의 동시 강착을 가정했다.
Fuller와 Mankovich가 설명하는 것처럼 코어와 껍질 사이의 경계가 시간이 지남에 따라 침식되었다는 것도 생각할 수 있다. 물, 규산염 및 철은 점차 액체 금속에 용해되어 혼합된다.
(Nature Astronomy, 2021; doi: 10.1038/s41550-021-01448-3)

출처: California Institute of Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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