미니 해왕성에 관한 새로운 사실, ‘뜨거운 바다 대신 단단한 땅’

우주에서 가장 흔한 행성으로 알려진 ‘미니 해왕성(mini-Neptune)’의 모습이 완전히 새롭게 그려지고 있다.

지금까지는 이 행성들이 뜨거운 용암 바다로 뒤덮인 지옥 같은 세계일 것이라 여겨졌지만, 실제로는 그 표면이 ‘굳어 있는 바다’일 수도 있다는 것이다. 두꺼운 대기의 압력이 마그마를 짓누르며 식혀버린 결과, 불타는 행성이 아니라 단단한 암석 표면을 가진 세계로 변했을 가능성이 제시됐다.

미국 시카고대학교의 엘리자 캠프턴(Eliza Kempton) 교수가 이끄는 연구팀은 5일 천체물리학 저널 레터스(The Astrophysical Journal Letters) 에 발표한 논문에서, 미니 해왕성의 실체가 뜨거운 용암 바다가 아닌 압력으로 굳은 행성일 가능성을 제시했다.

압력으로 드러난 숨은 표면

미니 해왕성은 해왕성보다 작고, 암석과 금속이 섞인 핵 위를 수소와 헬륨, 그리고 일부 물분자로 구성된 두꺼운 대기가 감싸고 있다. 그동안 과학자들은 이 행성이 높은 온도와 밀도로 인해 행성 전체가 녹아 있는 ‘용암 행성’일 것으로 추정했다.

그러나 캠프턴 연구팀은 제임스 웹 우주망원경(JWST)으로 관측한 외계행성 GJ 1214 b의 대기를 분석한 결과, 단순한 수소·헬륨보다 훨씬 무거운 분자들이 포함돼 있음을 발견했다. 이는 대기의 밀도가 예상보다 훨씬 높다는 의미로, 표면 아래 극도로 높은 압력과 온도를 만들어낸다. 그 압력은 마그마를 다시 굳힐 만큼 강력해, 표면에 단단한 암석층이 형성될 수 있다.

즉, 미니 해왕성은 행성 전역이 용융 상태로 유지되는 대신, 대기 하부의 극한 압력으로 인해 마그마가 응고해 고체 암석층이 형성되어 있을 가능성이 있다. 이 말은, 표면 아래의 암석이 끓어오르는 용암 바다가 아니라, 대기의 무게에 눌려 식고 굳은 암석 지각 형태로 존재할 수 있다는 뜻이다.

연구팀은 행성의 질량, 대기 조성, 내부 온도 조건을 달리한 수많은 모델을 시뮬레이션했다. 그 결과, 지금까지 용암 행성으로 분류된 미니 해왕성 중 상당수가 실제로는 고체 표면을 지닐 수 있다는 결과가 나왔다. 이처럼 고체화된 행성의 표면은 대기 압력 수백 GPa(기가파스칼) 이상에서 형성될 수 있으며, 이는 지구 내부의 다이아몬드 생성 압력과 맞먹는 수준이다.

캠프턴 교수는 “이번 연구는 미니 해왕성에 대한 기존 이해를 완전히 새로 쓰게 만들 것”이라며 “이들은 태양계에는 존재하지 않지만, 은하에서 가장 흔히 발견되는 행성형”이라고 말했다.

행성 형성 이론의 새로운 기준점

이번 연구는 단지 행성 표면의 물리적 상태 규명을 넘어 미니 해왕성의 구조와 진화를 이해하는 것은, 행성 형성 과정 전체를 재정의하는 단서를 제공한다.

연구에 참여한 매슈 닉슨(Matthew Nixon)은 “우리는 태양계를 기준으로 다른 행성을 해석해왔지만, 실제 우주는 그보다 훨씬 다양하다”며 “미니 해왕성의 내부 구조를 밝히는 일은 지구와 같은 암석 행성이 어떻게 형성됐는지를 이해하는 열쇠”라고 말했다.

이제 과학자들은 미니 해왕성의 실체를 단순한 용암 행성으로 보지 않는다. 두꺼운 대기 아래에서 형성된 고체 표면은, 이 행성들이 예상보다 훨씬 복잡한 열적·구조적 진화를 겪고 있음을 보여준다. 앞으로의 연구는 이들의 내부 구조와 대기 조성을 정량적으로 규명해, 외계 행성의 형성과 진화 모델을 한층 정교하게 다듬는 데 초점을 맞출 것이다.

손동민 기자/ hello@sciencewave.kr

참조 논문: Bodie Breza et al, Not All Sub-Neptune Exoplanets Have Magma Oceans, The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/ae0c07

자료: Astrophysical Journal Letters / University of Chicago