수 세기 동안 두꺼운 가스층에 가려져 있던 목성의 심층부 대기 성분이 최첨단 시뮬레이션을 통해 마침내 모습을 드러냈다. 시카고 대학교와 NASA 제트추진연구소(JPL) 공동 연구팀은 목성이 태양보다 약 1.5배 많은 산소를 보유하고 있다는 연구 결과를 발표하며 태양계 형성의 비밀을 풀 중요한 단서를 제시했다.
[사진=NASA]
두꺼운 가스 폭풍 아래 감춰진 목성의 실체
목성 표면은 지구 두 배 크기의 폭풍인 ‘대적점’을 비롯해 무수한 가스 소용돌이로 뒤덮여 있다. 이 구름층은 밀도가 너무 높아 NASA의 갈릴레오 탐사선조차 2003년 하강 도중 통신이 끊겼으며, 현재 궤도를 돌고 있는 주노(Juno) 탐사선 역시 원거리 관측에 의존하고 있는 실정이다.
지금까지 과학자들은 상층 대기에서 검출된 암모니아, 메탄, 물 등의 데이터를 기반으로 심층 모델을 구축해 왔으나, 목성 내 물(산소)의 정확한 함량에 대해서는 연구마다 의견이 엇갈려 왔다.
화학과 유체역학의 최초 결합: 가장 완벽한 대기 모델
이번 연구의 제1저자인 양지현 시카고대 박사후 연구원은 기존 모델의 한계를 극복하기 위해 화학과 유체역학을 하나의 시뮬레이션에 통합하는 데 성공했다. 이는 과학계에서 시도된 최초의 결합이다.
- 정밀한 화학 반응 분석: 뜨거운 심층 대기에서 차가운 상층부로 이동하는 분자들의 수천 가지 상변화와 재조합 과정을 추적했다.
- 물방울과 구름의 거동 포함: 기존 화학 모델이 간과했던 구름 입자와 액적의 움직임을 유체역학적으로 결합해 데이터의 신뢰도를 높였다.
양 박사는 “화학은 중요하지만 물방울이나 구름 행동을 포함하지 않고, 유체역학만으로는 화학을 지나치게 단순화한다”며 두 분야 결합의 중요성을 강조했다.
태양보다 1.5배 많은 산소, 태양계 형성의 열쇠
시뮬레이션 분석 결과, 목성의 산소 함량은 태양의 1.5배 수준으로 나타났다. 이는 과거 일부 연구에서 태양의 3분의 1 수준으로 추정했던 것보다 훨씬 높은 수치다.
이 데이터는 목성의 탄생 위치와 과정을 규명하는 결정적인 근거가 된다.
- 얼음의 축적: 행성 내 산소는 대부분 물과 결합해 있으며, 태양에서 멀리 떨어진 추운 곳일수록 물은 얼음 형태로 존재한다.
- 행성 성장 원리: 가스 행성은 수증기보다 고체 상태인 얼음을 더 쉽게 축적하는 특성이 있다.
- 형성 모델 추론: 산소 함량이 높다는 것은 목성이 초기 형성 과정에서 더 많은 얼음을 흡수했음을 의미하며, 이는 목성이 현재 위치에서 만들어졌는지 혹은 더 먼 곳에서 생성되어 이동해 왔는지를 파악하는 단서가 된다.
느린 대기 순환: “기존 상식보다 40배 더 느리다”
또한 이번 연구는 목성 대기의 순환 속도가 기존 학설보다 훨씬 느릴 가능성을 제시했다. 양 박사의 모델에 따르면 대기 내 확산 속도는 표준 가정보다 35~40배 더 느리며, 단일 분자가 한 대기층을 통과하는 데 몇 시간이 아닌 몇 주가 걸릴 수 있다는 결과가 나왔다.
양 박사는 “이는 우리 태양계 내 행성들에 대해서도 우리가 아직 배워야 할 것이 얼마나 많은지 보여주는 증거”라고 덧붙였다.
성치훈 기자/ hello@sciencewave.kr
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