우라노스와 넵튠의 복잡한 내부 구조는 연구자들의 관심을 끌어왔으며, 이들은 이들 먼 얼음 거인의 형성과 진화를 이해하려고 노력하고 있다.
이전의 가설들은 이들의 중심을 통해 다이아몬드 비가 내리거나 푸른 표면 아래에 초이온수(super-ionic water)가 존재하는 시나리오를 제안했다.
이러한 이론들이 흥미를 불러일으켰지만, 행성의 자기장과 내부 구조의 이상한 특성에 대한 몇 가지 질문을 남겼다.
행성 내부 및 자기장에 대한 새로운 시각
최근 연구는 새로운 시각을 제시한다. 광범위한 조사와 정교한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해, 우라노스와 넵튠의 물질이 압력이 증가함에 따라 층으로 분리될 수 있는 새로운 모델이 제시됐다.
캘리포니아 대학교 버클리의 지구 및 행성 과학 교수인 부르크하르트 밀리처는 전통적인 관점을 의문시하는 틀을 제안하며, 혼합 불가능성(immiscibility)의 개념을 도입하고 있다—여기서 구성 요소는 기름과 물처럼 섞이지 않는다.
층화된 내부 및 자기장 이해하기
이 행성의 깊이에서 생기는 극단적인 조건 하에서, 밀리처는 물(H₂O), 메탄(CH₄), 암모니아(NH₃)와 같은 물질이 예상 밖의 행동을 보인다고 주장한다.
그는 지구, 목성, 토성과 비교할 때 이들의 자기장 차이가 이러한 층화에 기인할 수 있다고 제안하며, “기름과 물처럼, 위쪽에 수소가 풍부한 층이 없고, 그 아래에 더 밀도가 높은 물질이 있는 것이다”라고 밝혔다.
그의 연구는 NASA의 보이저 2호의 자기장 데이터와 일치하여, 우라노스와 넵튠이 지구에서 관찰되는 질서 있는 쌍극자 자기장이 아닌 혼돈의 자기장을 가지고 있음을 드러냈다.
극한 조건 시뮬레이션
이러한 조건을 연구하기 위해, 밀리처는 지구 대기의 340만 배에 달하는 압력과 거의 8,000°F에 이르는 온도를 재현하는 시뮬레이션을 진행했다. 처음에는 100개의 원자를 탐색했지만, 층으로의 분리가 확인되지 않았다.
그러나 10년 후, 540개의 원자를 포함한 향상된 시뮬레이션과 기계 학습을 통해 분리를 관찰하게 되었으며, “나는 물이 탄소와 질소에서 떨어져 나갔다는 것을 깨달았다; 10년 전에는 분명하지 않았던 것이 이제 드러났다”라고 그는 말했다.
연구 결과의 의의
우라노스와 넵튠과 같은 얼음 거인은 다른 별계에서도 일반적이라고 여겨지며, 이러한 행성들은 서브-넵튠 외계행성으로 불린다. 밀리처는 다른 시스템에서도 유사한 구성 요소가 비슷한 내부 구조를 형성할 수 있어, 은하 전역의 행성 자기 특성에 영향을 미칠 수 있다고 믿고 있다.
밀리처는 극한 조건을 재현하는 실험 테스트를 통해 이러한 이론을 검증하기 위해 실험 물리학자들과 협력할 계획이다. 압력 하에서 물, 메탄, 암모니아의 혼합을 분석함으로써 자발적인 층 형성이 발생하는지를 확인할 수 있을 것이다.
전통적 지혜에 대한 재고
매혹적인 다이아몬드 비와 초이온수 개념은 밀리처의 발견에 의해 도전받고 있다. 그는 다이아몬드와 초이온수의 속성이 이 행성들의 자기장에 대한 설명으로 제안되었던 적이 있지만, 이들이 분리된 층으로 인해 신뢰할 수 없다고 주장한다.
우라노스를 향한 NASA의 잠재적 미션을 포함한 향후 우주 탐사는 추가적인 통찰력을 제공할 수 있다. 도플러 이미징을 통해 행성의 진동을 측정할 수 있는 기구는 내부의 특성에 대한 빛을 비출 수 있다. 밀리처는 이러한 진동을 예측하기 위해 시뮬레이션을 활용하여 그의 층화 이론을 검증하는 데 기여할 계획이다.