(Diagram depicting the proposed magma ocean interior model for Uranus and Neptune. Credit: Young et al. (2026))
천왕성과 해왕성은 태양계에서 가장 탐사가 덜 된 행성입니다 이 두행성을 직접 방문한 탐사선은 각각 1986년과 1989년에 탐사한 보이저 2호 뿐이기 때문입니다. 그럼에도 과학자들은 보이저 2호 데이터와 허블 우주 망원경, 제임스 웹 우주 망원경과 지상 망원경 들을 통해 얻은 데이터로 최대한 많은 정보를 얻기 위해 노력해왔습니다.
과학자들은 이렇게 얻은 데이터로 이 두 행성이 얼음 거인 (Ice Giant)일 것이라고 추정했습니다. 현재 일반적인 행성 모델은 천왕성과 해왕성은 수소/헬륨 대기 아래에 물, 암모니아, 메탄 등으로 이루어진 거대한 '얼음 맨틀(Icy Mantle)'이 존재하고, 그 중심에 단단한 '암석 핵(Rocky Core)'이 있을 것이라고 가정해 왔습니다.
하지만 이런 가정에 의문을 제기하는 과학자들도 존재합니다. 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스(UCLA) 연구팀은 이를 검증하기 위해 컴퓨터 모델을 활용하여 천왕성과 해왕성의 내부 구성과 과정을 시뮬레이션했습니다.
연구팀은 기존의 얼음 맨틀 구조, 암석 핵 구조와 수소/헬륨 대기층이 있는 3중 구조 모델과 새로운 모델인 마그마 바다 (Magma Ocean) 모델을 비교했습니다. 이 모델에서는 행성 내부에 얼음 형태의 맨틀이 있는 것이 아니라, 규산염(MgSiO3), 철(Fe), 그리고 수소(H₂)가 고온·고압 상태에서 완전히 뒤섞인 단일 '초임계 수소 부유 마그마 바다(Supercritical, Hydrogen-rich Magma Ocean)'가 존재한다고 봅니다. 즉, 얼음 행성이 아니라 용융된 액체 마그마 행성에 가깝다는 것입니다.
새로운 마그마 바다 모델에서는 상부의 수소-헬륨(H₂-He) 외피 대기층과 그 바로 아래에서 열을 전달받는 전도 구역, 그리고 하부 전체를 차지하며 수소가 녹아들어가 잘 혼합되어 있는 대규모 마그마 바다로 구성되어 있습니다. (사진 참조)
연구팀에 따르면 마그마 바다 모델이 고압 환경에서 수소 기체가 마그마 속으로 용해되어 들어가 밀도를 낮추고 압축률을 높임으로써 현재 관측되는 해왕성 및 천왕성의 질량과 반경을 만족시킵니다.
사실 기존 얼음 거인 모델은 천왕성과 해왕성이 형성될 당시 태양계 외곽 원시 행성계 원반에 얼음 성분이 매우 풍부했을 것이라는 전제하에 출발했습니다.
하지만 최근 카이퍼 벨트(Kuiper Belt) 천체나 혜성 관측 결과, 태양계 외곽의 초기 재료들은 얼음보다 암석(규산염 및 철) 비율이 훨씬 높았습니다. (얼음은 약 25% 수준) 따라서 얼음 거인 모델은 지금의 관측 결과와 부합하지 않을 수 있습니다.
이 연구 결과가 옮다면 외계 행성 연구에도 새로운 가능성을 제시할 수 있습니다. 과학자들은 태양계 내의 천왕성과 해왕성을 독특한 '얼음 행성' 군으로 묶어 태양계만의 특징으로 해석해 왔습니다.
하지만 이번 연구는 은하계에서 가장 흔하게 발견되는 외계 행성 형태인 미니 해왕성 (Sub-Neptune)과 천왕성·해왕성이 동일한 형성 기원을 공유하고 있음을 시사합니다. 즉, 천왕성과 해왕성을 연구함으로써 외계 미니 해왕성들의 내부 구조와 대기 화학을 풀 수 있는 셈입니다.
다만 이 연구 결과를 확신할 수 있으려면 더 많은 정보가 필요합니다. 현재 나사는 두 행성을 탐사하기 위한 천왕성 궤도 탐사선(UOP)과 해왕성 오디세이를 추진하고 있습니다. 이 계획이 순조롭게 이뤄져 해왕성과 천왕성에 탐사가 본격적으로 이뤄지기를 기대합니다.
(AI 생성 요약)
천왕성 궤도 탐사선(Uranus Orbiter and Probe, UOP)과 해왕성 오디세이(Neptune Odyssey)는 태양계 외곽의 거대 행성(Ice/Magma Giant)들을 심층적으로 탐사하기 위해 제안된 미국의 차세대 플래그십(Flagship) 우주 탐사 임무들입니다. 두 행성은 1986년과 1989년 보이저 2호가 스쳐 지나간(플라이바이) 이후 단 한 번도 궤도선이 방문한 적이 없는 미지의 영역입니다.
각 임무의 핵심 내용과 특징은 다음과 같습니다.
1. 천왕성 궤도 탐사선 (UOP)
UOP는 미 국립과학공학의학원(NASEM)이 발표한 '행성 과학 행성방위 10년 조사(2023-2032)'에서 최우선 순위 순위로 선정된 대형 플래그십 임무입니다.
임무 구성: 천왕성 주위를 도는 오비터(궤도선)와 천왕성 대기 속으로 직접 뛰어드는 대기 진입 프로브(낙하산 탐사선)로 구성됩니다.
주요 과학 목표:
천왕성 대기의 구성 성분, 풍속, 온도를 직접 측정 (특히 최신 연구에서 제기된 '마그마 바다 모델'과 대기 간의 상호작용 규명).
기이하게 기울어진 천왕성의 자기장(자전축과 59도 어긋남)의 기원과 비대칭적인 내부 구조 조사.
타이타니아, 오베론 등 얼음 위성들이 지하 바다를 가진 '해양 세계(Ocean World)'인지 확인.
일정 (예정): 2030년대 초반(대략 2031~2032년)에 팰컨 헤비 등의 대형 로켓으로 발사하여, 목성의 중력 도움(Gravity Assist)을 받아 2040년대 중반에 천왕성에 도착하는 것을 목표로 합니다.
2. 해왕성 오디세이 (Neptune Odyssey)
해왕성 오디세이는 UOP와 유사하게 해왕성 계를 탐사하기 위해 제안된 플래그십급 임무 제안서입니다. 10년 조사에서는 UOP에 밀려 다음 순위가 되었으나, 해왕성과 그 거대 위성 트리톤(Triton)을 연구하기 위한 과학계의 열망이 담긴 프로젝트입니다.
임무 구성: 해왕성 궤도선(Orbiter)과 대기 진입 프로브(Atmospheric Probe)로 구성됩니다.
주요 과학 목표:
해왕성의 내부 구조(규산염 마그마 혼합물 등)와 초속 2,000km에 달하는 태양계 최악의 대기 폭풍 메커니즘 규명.
카이퍼 벨트 천체였다가 해왕성의 중력에 포획된 것으로 추정되는 거대 위성 '트리톤(Triton)'의 정밀 탐사 (트리톤은 질소 간헐천이 분출하는 활발한 위성이며, 지하 바다가 있을 가능성이 매우 높음).
해왕성의 고리 시스템과 그 고리를 유지시키는 양치기 위성들의 역학 연구.
일정 (예정): 만약 추진될 경우 2030년대 초·중반에 발사되어 2040년대 후반에 도착하는 긴 여정이 필요합니다. 방사성동위원소 열전발전기(RTG)를 통한 장기 전력 확보가 필수적입니다.
두 임무의 공통적 의의
외계 행성 연구의 열쇠: 우주에서 가장 흔하게 발견되는 외계 행성 타입이 바로 천왕성·해왕성 크기의 '미니 해왕성(Sub-Neptune)'입니다. 따라서 우리 태양계의 두 행성을 완벽히 이해하는 것은 은하계 전역의 외계 행성계를 이해하는 바탕이 됩니다.
행성 형성 이론의 재확립: 최근 연구처럼 이들이 단순한 '얼음' 행성이 아니라 수소가 녹아있는 '마그마 바다' 행성임이 밝혀진 만큼, UOP와 오디세이가 보낼 현장 데이터는 태양계 초기 형성 이론을 완전히 새로 쓰는 계기가 될 것입니다.
참고
https://phys.org/news/2026-06-uranus-neptune-magma-worlds-ice.html
Edward D. Young et al, Ice Giants Revisited: Uranus and Neptune as Magma Ocean Worlds, arXiv (2026). DOI: 10.48550/arxiv.2606.18219
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