명왕성에서는 물얼음이 산을 이루고 질소얼음이 흐른다
명왕성의 표면 온도는 약 −226°C에서 −240°C다. 이 온도에서 물얼음은 산을 지탱할 만큼 단단하다. 반면 질소얼음은 아주 오랜 시간이 지나면 빙하처럼 흐르고, 두껍게 쌓인 곳에서는 고체 상태로 천천히 위아래로 움직일 수 있다. 2015년 New Horizons가 발견한 산맥과 빙하, 다각형 평원은 얼음의 종류에 따라 서로 다른 모습으로 만들어졌다.
명왕성은 지름 약 2,377km로 지구 달 지름의 약 3분의 2다. 태양에서 평균 약 39AU 떨어져 있고 한 번 공전하는 데 248년이 걸린다. 궤도가 길쭉해 태양과의 거리는 약 30AU에서 49AU까지 달라진다. 그에 따라 표면의 질소·메테인·일산화탄소 얼음 일부가 기체로 바뀌거나 다시 얼어붙으며 지표와 대기 사이를 이동한다.
- 약 2,377km 명왕성의 지름
- 평균 약 39AU 태양에서 지구까지 거리의 약 39배
- 약 153시간 명왕성이 한 번 자전하는 데 걸리는 시간
- 약 248년 명왕성이 태양을 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간
물얼음은 산을 이루고 질소얼음은 흐른다
New Horizons 영상에서 명왕성의 일부 산은 높이가 2~3km에 이른다. 질소나 메테인 얼음은 이런 산을 오래 지탱하기에는 너무 부드럽기 때문에, 산의 주재료는 단단한 물얼음으로 해석된다. 적외선 분광 관측에서도 물얼음은 넓은 지역에서 확인됐다. 일부 장소에서는 그 위를 질소·메테인·일산화탄소 얼음이 덮어 물얼음 신호가 가려진다.
질소얼음은 명왕성의 낮은 온도에서도 충분한 시간이 지나면 빙하처럼 변형된다. 높은 지대에서 낮은 분지로 흘러 들어간 흔적과 장애물을 돌아간 무늬가 실제 영상에 남아 있다. 물얼음 조각은 주변의 질소얼음보다 가벼워 그 위로 떠오를 수 있으며, 이런 조각들이 스푸트니크 평원 가장자리에 모여 있다.
명왕성에서는 모두 ‘얼음’이라고 부르는 물질도 성질이 다르다. 물얼음은 단단한 지반이 되고, 질소얼음은 빙하처럼 흐르며 표면을 바꾼다.
스푸트니크 평원에서는 고체 질소얼음이 천천히 순환한다
하트 모양으로 보이는 톰보 지역의 서쪽에는 폭 약 1,000km의 스푸트니크 평원이 있다. 이 낮은 분지는 질소얼음이 중심이고 메테인·일산화탄소 얼음도 섞인 거대한 빙하다. 표면에는 폭 16~48km 정도의 다각형 구역이 이어지며 충돌구는 거의 보이지 않는다. 이는 주변의 충돌구 많은 지형보다 훨씬 최근에 표면이 다시 덮였다는 뜻이다.
다각형 무늬는 두께가 수km에 이르는 고체 질소얼음이 아주 느리게 순환한다는 모형으로 설명된다. 아래쪽에서 조금 따뜻해진 얼음은 올라오고, 표면에서 식은 얼음은 다각형 가장자리로 이동해 내려간다. 질소가 액체이거나 끓고 있다는 뜻은 아니다. 단단해 보이는 고체 얼음도 긴 시간이 지나면 움직여 표면을 새 얼음으로 덮을 수 있다는 뜻이다.
충돌구가 적으면 다른 지형보다 나중에 표면이 바뀌었다고 판단할 수 있다. 다만 영상만으로 평원 전체가 정확히 언제, 같은 속도로 바뀌었는지는 알 수 없다.
얇은 대기는 표면의 얼음에서 공급된다
명왕성의 대기는 대부분 질소이며 메테인과 일산화탄소도 들어 있다. 표면의 질소얼음이 햇빛을 받아 고체에서 바로 기체로 바뀌면 대기가 늘어나고, 기온이 낮아지면 기체 일부가 다시 표면에 얼어붙는다. 대기압은 태양과의 거리만으로 정해지지 않는다. 어느 지역이 햇빛을 받는지와 땅속에 남은 열이 표면 온도를 어떻게 바꾸는지도 영향을 준다.
New Horizons가 명왕성 뒤에서 비치는 태양빛으로 대기를 관측했을 때, 지표 위 160km가 넘는 높이까지 여러 층의 연무가 보였다. 높은 대기에서 자외선이 메테인을 분해하면 여러 탄화수소 입자가 만들어진다. 이 입자들이 지표로 내려오면 표면을 붉은 갈색으로 보이게 하는 물질의 일부가 된다. 연무 자체가 파랗게 보이는 까닭은 작은 입자가 푸른빛을 더 잘 흩뜨리기 때문이다.
명왕성이 태양에서 멀어질 때 대기 대부분이 얼어붙을 가능성은 있지만, 어느 시점에 얼마나 남을지는 단순히 거리만으로 예측할 수 없다. 2015년 근접 관측은 248년에 이르는 공전 주기 중 한 시점만 측정했다. 대기의 장기 변화를 확인하려면 별빛이 명왕성 대기를 통과하는 엄폐 관측을 계속 이어가야 한다.
- 승화 햇빛을 받은 질소·메테인 얼음 일부가 기체가 되어 대기를 보충한다.
- 대기 이동 기체가 다른 지역으로 퍼지고 기온이 낮은 곳에서 다시 얼어붙는다.
- 빙하 흐름 쌓인 질소얼음이 높은 곳에서 스푸트니크 분지 쪽으로 천천히 이동한다.
- 고체 대류 분지 안의 두꺼운 질소얼음이 위아래로 순환하며 표면을 다시 덮는다.
큰 균열은 지하에 바다가 남아 있을 가능성을 보여 준다
명왕성에는 수백km에 걸친 큰 균열이 있다. 천체 전체가 줄어들었다면 표면이 눌리고 구겨진 흔적이 많아야 한다. 하지만 실제로는 얼음 지각이 늘어나면서 갈라진 흔적이 더 뚜렷하다. 땅속의 물이 천천히 얼면서 부피가 커졌거나, 아직 남은 액체 물이 얼음 지각을 밀어냈다는 모형으로 이런 균열을 설명할 수 있다.
스푸트니크 평원의 위치도 지하 바다를 생각하게 하는 단서다. 이 분지 아래에 액체 물이 남아 있거나 두꺼운 질소얼음이 쌓여 주변보다 무거워졌다면, 명왕성이 회전하는 동안 분지가 지금의 위치로 이동했을 수 있다. 그러나 명왕성 주위를 도는 탐사선으로 중력을 자세히 재거나 지진파를 측정한 적은 없다. 지하 바다는 여러 지형을 설명할 수 있는 유력한 모형이지만 직접 확인된 물층은 아니다.
명왕성을 가까이에서 자세히 본 것은 한 번뿐이다
New Horizons는 2006년에 출발해 2015년 7월 14일 명왕성 표면에서 약 12,500km 떨어진 곳을 지나갔다. 지금까지 명왕성을 가까이에서 조사한 탐사선은 이 한 대뿐이다. 카메라와 분광기, 입자 측정기로 모은 약 6.25GB의 자료를 지구로 모두 보내는 데 15개월 넘게 걸렸다.
근접 비행은 한쪽 반구의 지형과 대기 구조를 자세히 보여 줬지만, 같은 지역이 계절에 따라 어떻게 변하는지는 측정하지 못했다. 내부 바다의 존재, 질소얼음층의 정확한 두께, 대기압의 장기 변화도 아직 간접 자료에 의존한다. 명왕성 주위를 오래 도는 궤도선이 지형·중력·대기를 여러 시점에 관측해야 이 질문들을 더 정확히 풀 수 있다.
왜소행성도 표면이 계속 변할 수 있다
명왕성은 2006년 국제천문연맹의 정의에 따라 왜소행성으로 분류됐다. 이 이름은 태양 주위를 도는 천체를 나누는 기준일 뿐, 명왕성이 움직임 없는 얼음덩어리라는 뜻은 아니다. 물얼음 산맥이 솟아 있고 질소빙하가 흐르며, 표면의 얼음은 대기와 물질을 주고받는다. New Horizons는 작고 매우 차가운 천체에서도 지형이 계속 바뀔 수 있다는 사실을 보여 줬다.
출처
- NASA Science — Pluto Facts
- NASA Science — New Horizons
- NASA — Pluto’s Heart: Like a Cosmic “Lava Lamp”
- NASA — New Findings Shape Understanding of Pluto and Its Moons
- NASA — New Horizons Discovers Flowing Ices on Pluto
- NASA — Pluto’s Widespread Water Ice
- NASA Science — Pluto at Twilight
- NASA — Scientists Probe Mystery of Pluto’s Icy Heart