토성 내부서 제트 기류가 멈춘 이유는

2017년 카시니 탐사선은 우주에서 20년 가까운 임무를 마치고 토성 대기권에 진입하여 ‘그랜드 피날레(Grand Finale)’를 맞이했다. 그동안 카시니가 밝혀낸 많은 사실은 토성과 그 위성들에 관한 궁금증을 풀어줬지만, 최후의 순간에 한 가지 미스터리를 남기고 사라졌다.

토성은 대부분 수소와 헬륨으로 이뤄진 가스 행성이다. 중심부에는 암석과 얼음으로 구성된 핵이 있고, 그 주위를 금속성 수소층과 액체 수소층이 차례로 둘러싸고 있는 것으로 추정된다. 바깥쪽의 가스층은 목성과 마찬가지로 ‘제트 기류’라는 강력한 바람이 휘몰아치며 줄무늬를 형성하지만, 목성처럼 뚜렷한 모습을 띄진 않는다.

과학자들은 토성으로 뛰어든 카시니 탐사선의 중력장 측정을 통해 제트 기류가 약 8500km 깊이에서 멈췄다는 것을 알아냈다. 하지만 왜 바람이 특정 깊이에서 멈췄는지를 알 수 없었다.

카시니 탐사선이 마지막으로 촬영한 토성의 전체 모습. © NASA/JPL-Caltech/SSI

유체가 ‘꿀’처럼 점성을 지녀

지난 8월 27일 미국 물리학회(APS)의 ‘Physical Review Fluids’ 저널은 가스 행성 내부는 ‘꿀처럼 흐르는’ 점성을 지녔을지도 모른다는 연구 결과를 발표됐다. 이 연구는 호주국립대학(ANU)의 네이비 콘스탄티노(Navid Constantinou) 박사와 미국 ‘로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)’의 제프리 파커(Jeffrey Parker) 박사가 공동으로 진행했다.

ANU 뉴스에 따르면, 콘스탄티노 박사는 “임무를 끝낸 카시니 탐사선은 토성으로 뛰어든 마지막 순간에도 중력장을 자세하게 측정했다. 측정 자료에서는 제트 기류가 토성 내부 약 8500km 깊이까지 이어져 있고, 이는 행성 중심까지 거리의 약 15%에 해당한다”라고 말했다.

콘스탄티노 박사는 “기압이 높은 토성 내부에서 기체는 전기를 전도하는 액체가 되고, 행성 자기장의 영향을 더 강하게 받는다. 흐르는 전도성 액체는 자기장을 구부리거나 왜곡시킨다. 그러한 자기장 왜곡으로 인해 유체가 꿀처럼 점성을 띠게 되는 것으로 나타났다”라면서 이번 연구는 토성의 제트 기류가 왜 일정 깊이에서 멈추는지에 대한 미스터리를 해결하는 데 도움이 될 것이라고 밝혔다.

토성 내부의 다이어그램 © Kelvinsong, Wikimedia commons

가스 행성의 신비를 밝히는 단서

새로운 이론적 모델은 토성의 제트 기류가 특정 깊이에서 멈추는 이유를 설명할 수 있다. 유체가 자기장 영향으로 점성을 띠게 되면 제트 기류가 더 이상 깊은 곳에 도달하지 못하기 때문이다. 연구원들은 앞으로 이론을 실험하기 위해 더 많은 연구를 수행할 계획이지만, 지금까지 밝혀낸 것만으로도 이미 많은 주목을 받고 있다.

콘스탄티노 박사는 “토성 내부와 태양계의 다른 가스 행성들에 대한 신비는 이제 서서히 밝혀지기 시작했다”라면서 “우리의 연구는 탐사선들의 행성 관측 데이터를 해석하는 유망한 방법을 제시하고, 태양계 및 그 밖의 행성들에 대한 더 나은 이해를 제공한다”라고 말했다.

주노 탐사선은 목성 중력장을 측정해서 대기 흐름을 알아냈다. © NASA/JPL-Caltech

목성에서도 같은 일이 벌어져

태양계의 가스 행성은 토성 이외에도 목성이 있다. 함께 연구를 수행한 제프리 파커 박사는 “이번 연구는 목성의 줄무늬가 매우 얕은 깊이에서만 존재하는 이유도 설명할 수 있다”라고 말했다.

목성의 화려한 줄무늬를 만들어낸 제트 기류는 행성 반경의 약 4%에 해당하는 3000km 깊이로 내려가면 멈추게 된다. 이러한 사실은 미항공우주국(NASA)의 주노 탐사선이 최근 목성 자기장 측정을 통해서 밝혀냈다.

압력이 높은 목성 내부에서는 대기가 전도성 액체로 변한다. 여기에 자기장 영향을 받으면 꿀처럼 점성을 띤 유체가 되고, 유체층에 도달한 제트 기류가 멈추면서 줄무늬도 더는 형성되지 못한다. 토성 내부와 비슷한 현상이 발생한다는 것이다.

파커 박사는 “목성의 자기장이 어떻게 제트 기류의 속도를 낮추고, 일정 깊이에서 줄무늬가 사라지게 하는지 알 수 있다”라면서 다음 단계에서 3차원 시뮬레이션을 통해 자기 점도 효과를 연구할 예정이라고 밝혔다. 목성과 토성에서 얻은 실제 데이터와 비교하면 더욱 상세하고 현실적인 실험이 가능할 것이라고 소개했다.