태양계 3강. 목성형 행성과 그 위성들
태양계에서 생명을 찾는 탐사의 최전선은 뜻밖에도 행성이 아니라, 거대 행성 곁을 도는 얼음 위성들의 지하 바다입니다.
풀고 시작
가스 거성과 얼음 거성
목성 하나의 질량이 나머지 모든 행성을 합친 것의 두 배가 넘는다는 사실, 알고 계셨나요? 소행성대 바깥의 네 행성은 안쪽 행성들과 체급이 다릅니다. 목성과 토성은 수소와 헬륨이 대부분인 가스 거성(gas giant)이고, 천왕성과 해왕성은 물, 암모니아, 메탄의 얼음 성분이 큰 비중을 차지하는 얼음 거성(ice giant)이죠. 이들이 커진 이유는 태어난 자리에 있습니다. 태양에서 멀어 온도가 낮은 구역에서는 물이 얼음으로 얼어 고체 재료가 풍부했고, 빨리 커진 핵이 주변의 수소와 헬륨 가스까지 끌어모을 수 있었던 겁니다. 이 거대 행성들은 단단한 표면이 없어 착륙할 곳조차 없지만, 각자 수십 개의 위성을 거느린 작은 행성계의 중심입니다. 그리고 이 위성들이 오늘날 탐사의 주인공이 되었습니다.
1610년 겨울, 파도바에서
1610년 1월, 갈릴레오는 자작 망원경으로 목성 곁의 작은 별 셋(곧 넷)을 발견했습니다. 며칠을 두고 보니 이 점들은 목성을 떠나지 않은 채 그 양옆을 오가고 있었죠. 결론은 하나였습니다. 이들은 목성 주위를 도는 위성입니다. 그는 이 발견을 『별의 전령』(Sidereus Nuncius, 1610)으로 서둘러 출판했고, 후원을 기대하며 메디치 가문의 별이라 이름 붙였습니다. 오늘날은 발견자를 따라 이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토를 갈릴레이 위성이라 부르죠. 이 발견의 타격은 정밀했습니다. 천동설은 모든 천체가 지구를 중심으로 돈다고 전제하는데, 여기 지구 아닌 것을 중심으로 도는 천체가 넷이나 있었으니까요. 또한 "달을 데리고는 움직일 수 없다"던 지구 중심설 옹호 논변도 무력해졌습니다. 목성은 위성 넷을 거느리고 잘만 움직이고 있었기 때문입니다.
얼음 껍질 아래의 바다
갈릴레이 위성 중 유로파는 현대 탐사의 보석이 되었습니다. 표면은 얼음인데, 갈릴레오 탐사선(1995~2003)의 자기장 측정이 결정적 단서를 냈죠. 목성 자기장에 대한 유로파의 반응이 전기가 통하는 내부, 곧 소금기 있는 액체 물의 존재를 시사한 것입니다. 얼음 껍질 아래에 지구의 바다를 다 합친 것보다 많은 물이 있을 것으로 추정됩니다. 열원은 목성입니다. 궤도를 도는 동안 조석력이 위성을 반죽하듯 쥐어짜며 내부를 데우는 거죠. 같은 원리로 이웃 이오는 태양계에서 화산 활동이 가장 격렬한 천체가 되었습니다.
토성의 작은 위성 엔셀라두스는 증거를 직접 뿜어 주었습니다. 카시니 탐사선은 2005년 남극 지역의 갈라진 틈에서 물기둥이 우주로 분출되는 장면을 포착했고, 그 물기둥을 통과 비행하며 염분과 유기 분자, 수소 분자를 검출했습니다. 수소 분자는 해저 열수 활동의 신호로 해석되죠. 지구 심해 열수구가 생태계를 먹여 살린다는 사실(지구의 역사 과목에서 다룬 생명 기원 가설과 이어집니다)을 떠올리면, 이 지하 바다들이 생명 탐사의 최우선 후보가 된 이유가 보입니다.
토성 최대 위성 타이탄은 또 다른 세계입니다. 질소가 주성분인 두꺼운 대기를 가졌고, 2005년 하위헌스 착륙선이 표면에 내려앉았습니다. 영하 179℃의 이 세계에서는 물 대신 메탄과 에테인이 비로 내리고 강으로 흐르며 호수를 이룹니다. 액체가 순환하는 지구 밖 유일한 표면이죠.
고리는 왜 생기는가
토성의 고리는 하나의 판이 아니라 얼음 알갱이 수조 개가 각자 궤도를 도는 무리입니다. 그런데 왜 이 알갱이들은 뭉쳐서 위성이 되지 못했을까요? 행성에 너무 가까이 다가간 천체는 행성이 만드는 조석력의 차이 때문에 스스로의 중력으로 뭉쳐 있을 수 없습니다. 이 한계 거리가 로슈 한계(Roche limit)입니다. 고리들이 대체로 로슈 한계 안쪽에 있다는 사실은, 고리가 부서진 위성이나 뭉치지 못한 잔해라는 설명을 뒷받침하죠. 1979년 보이저 관측 이후 목성, 천왕성, 해왕성도 희미한 고리를 가진 것이 확인되었습니다. 고리는 토성의 장식이 아니라 거대 행성의 일반적 현상인 겁니다.
인출 문제
생각해볼 질문 (정답 없음)
- 거주 가능 영역을 "액체 물이 표면에 존재할 수 있는 궤도"로 정의하면 유로파와 엔셀라두스는 제외됩니다. 정의를 고쳐야 할까요, 예외로 두어야 할까요.