명왕성 '하트' 모양 지형의 비밀, 거대 충돌로 밝혀져

스위스 베른 대학교와 국립 과학 연구 센터(NCCR) PlanetS의 국제 천체 물리학 연구팀이 명왕성 표면의 거대한 하트 모양 지형의 기원을 밝혀냈습니다. 2015년 NASA의 뉴 허라이즌스 탐사선이 명왕성에서 하트 모양의 거대한 구조를 발견한 이후, 이 '하트'는 독특한 모양, 지질학적 구성, 그리고 고도 때문에 과학자들의 궁금증을 자아냈습니다. 특히 하트의 서쪽 부분인 '스푸트니크 평원(Sputnik Planitia)'은 그 기원에 대한 논쟁의 중심에 있었습니다.

 

 

스푸트니크 평원의 기원: 거대 충돌

베른 대학교와 애리조나 대학교 투손의 과학자들은 수치 시뮬레이션을 통해 스푸트니크 평원의 기원을 조사했습니다. 연구 결과에 따르면 명왕성의 초기 역사는 대격변적인 사건, 즉 지름 약 700km의 행성급 천체와의 충돌로 특징지어집니다. 이는 동서 길이로 스위스 면적의 약 두 배에 달하는 크기입니다. 이 충돌로 인해 현재의 스푸트니크 평원이 형성되었다는 것입니다. 이 연구는 명왕성의 내부 구조가 기존의 추정과 다르다는 것을 시사하며, 지하 바다가 존재하지 않을 가능성을 제기합니다.

 

 

'툼보 지역'의 특징: 밝은 표면과 낮은 고도

'툼보 지역(Tombaugh Regio)'이라고도 불리는 이 '하트'는 발견 직후 대중의 관심을 사로잡았습니다. 주변보다 더 많은 빛을 반사하는 높은 반사율의 물질로 덮여 있어 더 하얗게 보이기 때문에 과학자들의 흥미를 끌었습니다. 하지만 이 '하트'는 단일 요소로 구성된 것이 아닙니다. 스푸트니크 평원은 가로 1200km, 세로 2000km의 면적을 차지하며, 이는 유럽이나 미국 면적의 1/4에 해당합니다. 주목할 점은 이 지역의 고도가 명왕성 표면의 다른 부분보다 3~4km 더 낮다는 것입니다. 이번 연구는 이러한 특징들이 거대 충돌의 결과임을 밝혀낸 것입니다.

 

 

스푸트니크 평원의 밝은 표면과 충돌의 형태

스푸트니크 평원의 밝은 표면은 주로 흰색 질소 얼음으로 채워져 있기 때문입니다. 이 질소 얼음은 이동하고 대류하면서 표면을 지속적으로 매끄럽게 만듭니다. 연구의 주 저자인 베른 대학교의 해리 발란타인 박사는 이러한 질소가 낮은 고도로 인해 충돌 직후 빠르게 축적되었을 가능성이 높다고 설명합니다. 하트의 동쪽 부분 역시 이와 유사하지만 훨씬 얇은 질소 얼음층으로 덮여 있는데, 그 기원은 아직 명확히 밝혀지지 않았지만 스푸트니크 평원과 관련 있을 것으로 추정됩니다.

 

 

비스듬한 충돌과 충돌체의 구성

스푸트니크 평원의 길쭉한 모양은 충돌이 정면충돌이 아닌 비스듬한 충돌이었음을 강하게 시사합니다. 이 연구를 시작한 베른 대학교의 마틴 유치 박사는 이를 지적합니다. 이에 연구팀은 전 세계의 다른 연구팀과 마찬가지로 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics) 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 이러한 충돌을 디지털 방식으로 재현했습니다. 명왕성과 충돌체의 구성, 충돌체의 속도와 각도를 다양하게 조절하며 시뮬레이션을 진행했습니다. 이러한 시뮬레이션을 통해 과학자들은 비스듬한 충돌 각도에 대한 가설을 확인하고 충돌체의 구성을 밝혀낼 수 있었습니다.

 

 

차가운 핵과 낮은 속도가 만들어낸 결과

명왕성의 핵은 매우 차갑기 때문에 충돌의 열에도 불구하고 암석이 매우 단단하게 유지되어 녹지 않았습니다. 충돌 각도와 낮은 속도 덕분에 충돌체의 핵은 명왕성의 핵으로 가라앉지 않고 그대로 남아 표면에 흩어졌습니다. 해리 발란타인 박사는 스푸트니크 평원 어딘가에 명왕성이 완전히 흡수하지 못한 또 다른 거대한 천체의 잔해인 핵이 있다고 설명합니다. 애리조나 대학교의 공동 저자인 에릭 아스파우그는 이를 덧붙여 설명합니다. 이러한 핵의 강도와 상대적으로 낮은 속도는 시뮬레이션의 성공에 중요한 요소였습니다. 강도가 낮았다면 뉴 허라이즌스 탐사선이 관측한 물방울 모양과는 다른 매우 대칭적인 잔여 표면 지형이 나타났을 것입니다. 즉, 차가운 명왕성의 핵과 적절한 각도와 속도로 일어난 충돌이 현재의 스푸트니크 평원을 만들었다는 결론입니다.

 

정밀한 계산이 필요한 행성 충돌과 '스플랫' 현상

에릭 아스파우그는 행성 충돌을 에너지, 운동량, 밀도와 같은 요소 외의 세부 사항은 무시할 수 있는 극도로 강렬한 사건으로 생각하는 데 익숙하지만, 외행성계에서는 속도가 훨씬 느리고 단단한 얼음은 강하기 때문에 계산에서 훨씬 더 정밀해야 한다고 말합니다. 그는 이러한 정밀한 계산에서 재미가 시작된다고 덧붙입니다. 두 연구팀은 2011년부터 달 뒷면의 지형과 같은 특징을 설명하기 위해 행성 '스플랫(splat)'이라는 개념을 탐구하며 오랜 기간 협력해 왔습니다. 달과 명왕성 이후, 베른 대학교 연구팀은 명왕성과 유사한 왜행성인 하우메아와 같은 외행성계의 다른 천체에 대해서도 유사한 시나리오를 탐구할 계획입니다.

 

 

명왕성 내부 구조에 대한 새로운 시각: 지하 바다의 부재 가능성

이번 연구는 명왕성의 내부 구조에 대한 새로운 시각을 제시합니다. 시뮬레이션된 것과 같은 거대한 충돌은 명왕성 역사 초기에 발생했을 가능성이 높습니다. 하지만 여기에는 문제가 있습니다. 스푸트니크 평원과 같은 거대한 함몰 지형은 질량 부족으로 인해 물리학 법칙에 따라 시간이 지남에 따라 왜행성의 극지방으로 서서히 이동해야 합니다. 하지만 역설적이게도 스푸트니크 평원은 적도 근처에 위치하고 있습니다. 이전의 이론적 설명은 외행성계의 다른 여러 천체와 마찬가지로 명왕성에도 지하 액체 물 바다가 있다는 것이었습니다. 이 설명에 따르면 명왕성의 얼음 지각은 스푸트니크 평원 지역에서 더 얇아 바다가 그곳에서 융기하게 되고, 액체 물은 얼음보다 밀도가 높기 때문에 결국 적도 방향으로의 이동을 유도하는 질량 과잉이 발생한다는 것입니다.

하지만 새로운 연구는 대안적인 관점을 제시합니다. 마틴 유치는 시뮬레이션에서 명왕성의 원시 맨틀 전체가 충돌에 의해 파헤쳐지고, 충돌체의 핵 물질이 명왕성의 핵에 부딪히면서 지하 바다 없이, 또는 아주 얇은 바다만으로도 적도 방향으로의 이동을 설명할 수 있는 국부적인 질량 과잉을 생성한다고 설명합니다. 이 연구의 공동 저자인 애리조나 대학교의 아딘 덴턴 박사는 현재 이러한 이동 속도를 추정하기 위한 새로운 연구 프로젝트를 진행하고 있습니다. 그녀는 명왕성 하트 모양 지형의 이러한 새롭고 독창적인 기원이 명왕성의 기원에 대한 더 나은 이해로 이어질 수 있다고 결론짓습니다. 즉, 이번 연구는 거대 충돌로 인해 발생한 질량 불균형만으로도 스푸트니크 평원의 위치를 설명할 수 있으며, 기존에 주장되었던 지하 바다의 존재가 필연적인 것은 아님을 시사합니다.