천왕성과 해왕성은 닮은 한 쌍처럼 보이지만, 화학적 특성은 서로 다른 장소에서 다른 물질로 형성됐음을 시사한다.
천문학 및 천체물리학 저널에 발표된 연구는 대기 화학 및 이동 모델과 칠레의 ALMA 배열 등에서 얻은 다수의 일산화탄소 관측을 결합해 두 행성 내부 깊은 곳의 탄소 대 산소 비율을 추정했다. 이 비율은 행성이 어떤 물질로 형성됐는지를 보여주는 화학적 지문 역할을 한다.
간접적으로 측정한 숨겨진 비율
누구도 두 행성의 깊은 대기를 직접 채취할 수 없다. 연속된 구름층이 직접 관측을 막으며, 1986년과 1989년에 보이저 2호만이 이들 행성을 지나갔다.
일산화탄소가 하나의 통로를 제공한다. 이는 깊은 층에서 형성되거나 존재하며 구름을 통해 망원경이 볼 수 있는 높이까지 운반되므로, 그 농도는 훨씬 아래 지역에 대한 정보를 담고 있다.
연구팀은 해왕성이 천왕성보다 산소가 상당히 풍부한 것으로 보인다고 밝혔다. 탄소 추정치와 결합하면 해왕성의 탄소 대 산소 비율이 더 낮아진다. 가능한 값의 범위는 여전히 겹치지만, 두 행성이 젊은 태양을 둘러싼 원반의 같은 지역에서 같은 혼합물로 성장했다면 이 차이를 설명하기 어렵다.
쌍둥이가 아닌 사촌
이 결과를 초기 태양계가 화학적으로 진화한 방식에 대한 모델과 비교하면서, 저자들은 서로 다른 역사를 제안한다. 천왕성은 현재 궤도 근처의 비교적 먼 곳에서 형성됐을 수 있다. 해왕성은 태양에 더 가까운, 고체가 더 많은 산소를 함유한 지역에서 시작해 바깥으로 이동했을 수 있다.
공동 저자인 사우스웨스트 연구소의 올리비에 무시스는 "천왕성과 해왕성은 오늘날 쌍둥이처럼 보일 수 있지만, 그 화학적 특성은 이들이 매우 다른 역사를 가진 사촌에 가깝다는 것을 말해준다"라고 말했다.
이 결과는 두 행성을 넘어 중요하다. 지금까지 발견된 약 6,000개의 외계행성 중 절반 이상이 이 정도 크기의 행성으로, 얼음 거대 행성이 어떻게 조립되는지는 알려진 행성의 상당 부분에 대한 이해를 형성한다.
남은 질문들
저자들은 그림이 아직 확정되지 않았다고 말한다. 깊은 대기의 수직 혼합은 여전히 큰 불확실성의 원천이며, 더 나은 측정이 필요하다. 미국 국립과학원이 2023년 행성 과학의 최우선 과제로 선정한 천왕성 궤도선 및 탐사선 같은 전용 임무가 이를 해결하는 데 도움이 될 것이다.