(This is an illustration of the layer of dark hydrogen the team's lab mimicry indicates would be found beneath the surface of gas giant planets like Jupiter, courtesy of Stewart McWilliams. Credit: Stewart McWilliams )
목성이나 해왕성 같은 가스 행성의 내부구조에 대한 연구는 상당히 이론적입니다. 지구 같은 암석 행성에서는 지진파를 이용해서 내부 구조를 어느 정도 파악할 수 있지만, 가스 행성의 경우 밀도 이외에 내부 구조를 추정할 수 있는 방법이 없기 때문입니다.
가스 행성의 내부는 암석이나 금속으로 된 핵이 있고 그 주변에 높은 압력 상태에서 금속과 비슷한 상태가 된 수소층(metalic hydrogen)이 존재합니다. 높은 압력에서는 수소 원자가 격자처럼 배열되면서 전자가 그 사이를 자유롭게 다니는 금속 같은 상태가 되기 때문입니다. 그 외곽층에는 기체 상태의 수소가 있고 가장 외곽층은 다양한 물질이 있는 대기층이 있는데, 가스 행성이기 때문에 대기와 행성의 경계는 모호합니다.
아마도 이는 진실에 가까운 내부 구조 추정일 것입니다. 하지만, 사실 중력으로 인한 고압 환경에서 압력에 따라 수소는 특이한 반응을 할지도 모릅니다.
카네기 공대의 알렉산더 곤카로프(Alexander Goncharov)와 에딘버러 대학의 스튜어트 맥윌리엄스(Stewart McWilliams)는 고압 환경에서 수소의 성질을 연구했습니다. 이들이 저널 Physical Review Letters 에 발표한 내용에 따르면 가스 행성에는 금속 수소의 층 위에 또 다른 암흑 수소 (dark hydrogen) 층이 있을 수 있다고 합니다.
이들은 1만 기압에서 150만 기압까지 다양한 압력을 가해 수소의 변화를 연구했습니다. 온도와 압력은 물질의 상태를 바꾸는 중요한 요소로써 예를 들어 이산화탄소의 경우 1기압에서는 온도에 따라 고체 (드라이아이스)와 기체 이산화탄소의 상태밖에 없으나 높은 압력에서는 초임계유체 같은 독특한 상태가 될 수 있습니다.
연구팀에 따르면 중간 압력에서 수소는 빛은 투과시키지 않지만, 열은 쉽게 투과시키는 독특한 상태가 된다고 합니다. 마치 검은 장막 같기 때문에 암흑 수소라 불리지만, 대신 열은 잘 전달해서 목성 내부의 열이 밖으로 잘 빠져나가도록 돕는다고 합니다. 이는 가스 행성들이 내부의 열을 쉽게 배출하는 이유 가운데 하나일지 모른다는 것이 연구팀의 주장입니다.
물론 실제로 이 가스 행성들이 내부에 어떤 구조를 가지고 있는지는 더 많은 연구가 필요한 부분 가운데 하나입니다. 앞으로 이 가스 내부로 탐사선을 다시 보낼 계획도 있습니다. 분명한 것은 아마도 이들의 거대한 크기만큼이나 내부 구조 역시 단순하지 않을 것이라는 점입니다.
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