태양계의 가장 먼 행성 해왕성은 그 존재 자체가 과학적 모순입니다. 천문학자들의 계산에 따르면 해왕성이 현재 위치에서 형성되려면 100억 년이 필요하지만, 태양계의 나이는 46억 년에 불과합니다. 이처럼 해왕성은 존재해서는 안 되는 행성이면서도 실재하는 신비로운 천체입니다. 인간의 관점에서는 이해하기 어려운 우주의 비밀 중 하나이지만, 오히려 이러한 모순이 인류가 아직 풀지 못한 우주의 열쇠를 푸는 실마리가 될 수 있습니다.
시간척도 문제와 니스 모델의 혁명적 해답
천문학자들이 직면한 가장 큰 수수께끼는 바로 '시간척도 문제'입니다. 현대 행성형성 이론의 아버지인 소련의 천문학자 빅토르 사프로노프가 처음 제기한 이 문제는 해왕성의 존재 자체를 부정하는 충격적인 계산이었습니다. 태양계가 만들어지던 당시 지금 해왕성이 있는 자리는 가스나 먼지의 양이 너무 희박했습니다. 그래서 지금의 해왕성만큼 거대한 가스 행성이 되려면 무려 100억 년 이상이 필요하다는 계산이 나왔습니다. 이는 마치 딸이 아빠보다 나이가 더 많은 것과 같은 모순입니다.
이 모순은 오랜 시간 천문학계의 미스터리로 남아있었습니다. 그러다 2005년 세계 최고 권위의 과학 저널 네이처지에 획기적인 논문 한 편이 올라왔습니다. 네 명의 천문학자들이 프랑스 니스에 모여서 진행한 연구 결과는 태양계 형성에 대한 완전히 새로운 시나리오를 제시했습니다. 니스 모델이라 불리는 이 이론에 따르면, 해왕성은 원래 지금보다 훨씬 태양에 가까운 토성 근처의 노른자 땅에서 태어났습니다. 가스와 먼지가 풍부한 그곳에서 해왕성은 아주 짧은 시간 안에 폭풍 성장할 수 있었습니다.
하지만 행복은 오래가지 못했습니다. 목성과 토성이라는 거대한 형님들의 중력 싸움이 벌어지면서 막내였던 해왕성은 그 싸움에 말려들어 우주 바깥쪽으로 튕겨 나가 버렸습니다. 현재 니스 모델은 해왕성 형성에 대한 가장 유력한 시나리오로 거론되고 있습니다. 이는 우주가 우리가 생각하는 것보다 훨씬 역동적이고 변화무쌍한 공간임을 보여줍니다. 인간의 관점에서 존재하는 게 말이 안 되는 것이지, 우주는 더 넓고 광활하며 우리는 그 안의 콩과 같은 존재입니다. 우리가 우주를 이해하려는 노력 자체가 어쩌면 웃긴 사실일 수 있지만, 바로 이러한 노력을 통해 인류는 새로운 지식의 영역을 개척해왔습니다.
대흑점과 초음속 바람의 미스터리
1989년 보이저 2호가 해왕성을 처음 근접 촬영했을 때 과학자들은 경악했습니다. 행성 표면에 거대한 멍자국 같은 검은 점, 바로 대흑점이 발견됐기 때문입니다. 이 점은 너무나도 거대해서 지구 하나가 통째로 들어가고도 남을 정도였습니다. 또한 해왕성의 대흑점 주변에서는 최대 시속 2,100km나 되는 초음속 바람이 불고 있었습니다. 2003년 한반도를 쑥대밭으로 만들었던 태풍 매미의 최대 풍속이 시속 약 195km였던 것을 고려하면, 해왕성에서는 매미보다 무려 10배 이상 강력한 미친 바람이 불고 있는 것입니다.
더욱 신비로운 것은 대흑점의 변화입니다. 1994년 과학자들이 허블 우주 망원경으로 다시 해왕성을 관측했을 때, 대흑점은 감쪽같이 사라져 버렸습니다. 그리고 얼마 뒤 엉뚱하게도 북반구 쪽에서 새로운 작은 흑점이 발견됐습니다. 대흑점이 생겼다가 없어졌다가 또 다른 자리에 생기는 이 요상한 현상에 대한 원리를 과학자들은 아직도 찾고 있습니다.
해왕성에서 이렇게 강력한 바람이 부는 것 자체가 과학적인 미스터리입니다. 에너지가 있어야 바람도 불 텐데 태양빛도 거의 안 닿는 이곳에 도대체 무슨 에너지가 있다는 걸까요? 해왕성은 태양계 끝자락에 있어서 상층부 온도가 무려 영하 214도에 달하는 혹한 지옥입니다. 상식적으로 모든 게 꽁꽁 얼어붙어서 고요해야 정상입니다. 하지만 이 차가운 껍질을 뚫고 깊이 들어간다면 반전이 일어납니다. 해왕성 내부는 5,000도가 넘는 펄펄 끓고 있는 상태이기 때문입니다.
놀랍게도 해왕성은 태양에서 받는 열보다 무려 2.6배나 더 많은 에너지를 스스로 뿜어내고 있습니다. 얼음 껍질 속에 뜨겁게 달궈진 어떤 물질이 들어 있는 것입니다. 이런 극단적인 온도 차이가 거대한 대류를 일으키고 바람을 막아줄 산맥이나 땅도 없다 보니까 한번 불기 시작한 바람은 브레이크 없이 미친듯이 가속해서 음속의 두 배까지 치속게 되는 것입니다. 해왕성의 대기 상층부는 영하 214도나 될 정도로 정말 추워서 메탄 가스마저도 꽁꽁 얼어붙어 해왕성의 구름이 되고 메탄 눈이 내릴 것으로 예상됩니다. 그런데 해왕성의 깊은 곳으로 들어가면 또다시 반전이 일어납니다. 초고온 초고압의 환경에서 메탄 같은 탄소화물들이 분해되고 이 탄소가 뭉쳐서 다이아몬드가 된다고 합니다. 이 다이아몬드는 해왕성 깊은 곳에서 비처럼 내리고 있으며, 실제로 과학자들이 실험실에서 이 극한의 환경을 흉내 내봤더니 진짜로 탄소가 순식간에 나노다이아몬드 결정으로 변하는 게 관측됐습니다.
트리톤의 비극과 해왕성의 미래
해왕성의 집안에는 매우 말 안 듣는 유명한 자식이 있습니다. 바로 트리톤입니다. 위성은 일반적으로 모행성의 자전 방향과 동일하게 모행성을 공전합니다. 그런데 트리톤은 해왕성의 자전 방향과는 반대로 공전하고 있습니다. 물론 행성의 자전 방향과 반대로 공전하고 있는 위성들이 태양계에 알려진 것만 해도 100개 이상입니다. 그런데 유독 트리톤이 반대로 공전하고 있는 가장 대표적인 위성이 된 이유는 트리톤의 크기 때문입니다.
트리톤의 지름은 2,700km로 지구의 달보다는 조금 작고 명왕성보다는 큽니다. 천문학자들은 트리톤이 원래는 카이퍼벨트를 떠돌던 외행성이었을 것이라고 설명합니다. 그런데 어느 날 해왕성 근처를 지나가다가 해왕성의 거대한 중력에 덜컥 붙잡혀서 해왕성에 강제로 납치된 것입니다. 트리톤은 납치된 게 얼마나 억울했는지 영하 235도의 얼음땅 밑에서 질소 간헐천이 8km 높이까지 폭발하고 있습니다.
해왕성을 역행하고 있는 트리톤은 공전 궤도가 줄어들면서 해왕성 쪽으로 빨려 들어가고 있습니다. 트리톤은 수십억 년 뒤 해왕성의 로슈 한계 안으로 들어가서 산산조각 난 다음 해왕성의 고리가 될 것입니다. 이 고리는 토성의 고리보다 훨씬 더 크고 아름다운 초거대 고리가 될 거라고 과학자들은 예측하고 있습니다. 트리톤의 비극적인 운명은 우주가 얼마나 역동적이고 변화하는 공간인지를 보여줍니다.
해왕성에서 자기장축은 자전축에서 무려 47도나 기울어져 있습니다. 자기장의 중심이 해왕성 한가운데가 아니라 해왕성 바깥쪽으로 약 13,500km나 엇나가 있습니다. 그래서 해왕성에서 나침반을 든다면 바늘은 북쪽을 가리키는 게 아니라 제멋대로 춤을 출 것입니다. 과학자들이 지목한 가장 유력한 용의자는 바로 초이온 얼음입니다. 이것은 우리가 알고 있는 그냥 차가운 얼음이 아닙니다. 해왕성 깊은 곳 압력이 너무 높아서 물이 끓지 못하고 강제로 얼어 버리는데 그 온도는 수천 도에 달하는 뜨거운 검은 얼음입니다. 산소 원자들은 단단한 고체처럼 뼈대를 이루고 있는데 그 사이로 수소 이온들이 액체처럼 자유롭게 흘러다닙니다. 고체이면서 동시에 액체인 아주 특이한 상태인 것입니다.
명왕성이 퇴출되며 태양계의 가장 마지막이 된 행성 해왕성은 존재하는 것조차도 신기한 천체입니다. 우주에는 얼마나 많은 비밀이 있을까요? 인류가 해결 못한 열쇠를 푸는 실마리가 해왕성에 있을지도 모릅니다. 인류의 탐사선이 1989년 보이저 2호 이후 한 번도 방문하지 못한 해왕성에 대한 탐사가 다시 이루어지길 기대합니다. 그날이 온다면 우리는 우주에 대해 훨씬 더 많은 것을 알게 될 것입니다.
[출처]
존재 자체가 미스테리인 행성, 해왕성 / 리뷰엉이: Owl's Review : https://www.youtube.com/watch?v=U5eVzn6bx2I