해왕성과 천왕성의 내부에서는 다이아몬드가 비처럼 쏟아지고 있을 가능성이 높습니다. 5,000도의 온도와 지구 대기압의 200만 배에 달하는 극한 환경에서 메탄이 분해되어 탄소 원자가 다이아몬드 결정으로 압축되는 현상이 일어나고 있습니다. 2017년 스탠퍼드 연구진은 레이저 충격파 실험을 통해 이 이론을 실험실에서 재현하는 데 성공했으며, 생성된 나노 다이아몬드는 수천 킬로미터를 낙하하며 점점 커져 결국 행성 핵 주변에 거대한 다이아몬드 바다를 형성할 것으로 추정됩니다. 이 현상은 해왕성의 비정상적으로 높은 내부 온도와 특이한 자기장을 설명하는 열쇠가 될 수 있으며, 보이저 2호가 관측한 시속 2,100킬로미터의 초음속 바람과도 연관이 있을 것으로 보입니다.
얼음 거인의 숨겨진 보물
태양계 최외곽에 위치한 해왕성은 평균 온도가 영하 214도에 달하는 극한의 차가운 세계입니다. 그러나 이 얼음 거인의 내부는 전혀 다른 이야기를 품고 있습니다. 해왕성 중심부의 온도는 태양 표면과 맞먹는 5,400도에 달하며, 압력은 지구 대기압의 700만 배를 넘습니다. 이러한 극한 조건은 지구상에서는 상상하기 어려운 물리 현상을 가능하게 만듭니다. 바로 다이아몬드 비입니다. 1981년 마빈 로스를 비롯한 로렌스 리버모어 국립연구소 과학자들이 처음 제안한 이 아이디어는 당시에는 공상과학 소설처럼 들렸습니다. 메탄이 풍부한 해왕성과 천왕성의 대기에서 극한의 압력과 온도가 메탄 분자를 분해하고, 탄소 원자들이 다이아몬드 결정으로 압축된다는 것이었습니다. 해왕성 대기의 약 2~3%를 차지하는 메탄은 이 과정의 원료가 됩니다. 대기 깊숙이 내려갈수록 압력과 온도가 증가하면서 메탄(CH₄)은 먼저 에탄(C₂H₆), 프로판(C₃H₈) 같은 더 복잡한 탄화수소로 변환됩니다. 약 7,000킬로미터 깊이에서 압력이 20만 기압을 넘어서면, 탄화수소 분자들이 완전히 분해되기 시작합니다. 수소는 가벼워서 위로 올라가고, 무거운 탄소 원자들은 서로 결합하여 다이아몬드 결정을 형성합니다. 이 과정은 단순한 이론이 아닙니다. 2017년 독일 헬름홀츠 연구소와 미국 스탠퍼드 대학 공동 연구팀은 세계에서 가장 강력한 X선 레이저를 사용하여 이 현상을 실험실에서 재현했습니다. 폴리스티렌 플라스틱에 레이저를 쏘아 150만 기압과 5,000도의 조건을 만들자, 실제로 나노 크기의 다이아몬드가 형성되는 것을 관측했습니다. 이는 해왕성 다이아몬드 비 이론의 강력한 증거가 되었습니다.
다이아몬드의 긴 여정과 액체 바다
해왕성 내부에서 형성된 다이아몬드의 운명은 지구의 빗방울과는 완전히 다릅니다. 처음에는 마이크로미터 크기의 작은 결정으로 시작하지만, 수천 킬로미터를 낙하하는 동안 주변의 다른 다이아몬드 입자들과 합쳐지며 점점 커집니다. 일부 과학자들은 이 다이아몬드가 최종적으로 수 센티미터, 심지어 수십 센티미터 크기까지 성장할 수 있다고 추정합니다. 다이아몬드 우박이라고 표현하는 것이 더 적절할 수도 있습니다. 그러나 다이아몬드의 여정은 여기서 끝나지 않습니다. 해왕성 중심부로 갈수록 온도와 압력은 더욱 극단적이 됩니다. 약 8,000킬로미터 깊이에서 온도가 4,700도를 넘어서면, 믿기 어려운 일이 일어납니다. 고체 다이아몬드가 녹기 시작하는 것입니다. 지구상에서 다이아몬드의 녹는점은 약 4,000도이지만, 극한의 압력 하에서는 더 높은 온도가 필요합니다. 해왕성의 핵 주변, 즉 중심에서 약 5,000~7,000킬로미터 떨어진 지역에는 액체 다이아몬드의 바다가 존재할 가능성이 있습니다. 이 액체 다이아몬드 층은 수천 킬로미터 두께일 것으로 추정되며, 그 위에는 고체 다이아몬드 '빙산'이 떠다닐 수도 있습니다. 흥미롭게도 극한의 압력 하에서 다이아몬드는 금속적 특성을 띠게 됩니다. 전기 전도성을 가지게 되는 것입니다. 이러한 금속성 다이아몬드 층은 해왕성의 특이한 자기장 형성에 중요한 역할을 할 것으로 추정됩니다. 실제로 해왕성의 자기장은 지구와 달리 행성 중심에서 크게 벗어나 있고, 자전축에서 47도나 기울어져 있습니다. 이는 자기장이 핵이 아닌 맨틀 중간층에서 생성되고 있음을 시사하며, 다이아몬드 층이 그 원인일 수 있습니다. 다이아몬드 비는 또한 해왕성의 에너지 수지에도 영향을 미칩니다. 다이아몬드가 낙하하면서 중력 위치 에너지가 열에너지로 변환되고, 이는 해왕성 내부를 가열하는 추가적인 열원이 됩니다. 실제로 해왕성은 태양으로부터 받는 에너지의 2.6배를 방출하는데, 이는 목성이나 토성보다도 높은 비율입니다.
초음속 바람과 다이아몬드의 연결고리
해왕성은 태양계에서 가장 강력한 바람이 부는 행성입니다. 적도 부근에서는 시속 2,100킬로미터에 달하는 초음속 바람이 관측되는데, 이는 음속의 거의 두 배에 가까운 속도입니다. 놀라운 것은 태양에서 가장 멀리 떨어져 있어 받는 에너지가 지구의 0.1%에 불과한 해왕성에서 어떻게 이런 강력한 바람이 발생하는가 하는 점입니다. 최근 연구들은 다이아몬드 비 현상이 이 미스터리의 열쇠일 수 있다고 제안합니다. 다이아몬드가 형성되고 낙하하는 과정에서 방출되는 열은 대기 하층부를 가열합니다. 이 열은 강력한 대류를 일으키고, 이것이 상층 대기의 초고속 바람을 구동하는 에너지원이 될 수 있습니다. 또한 메탄이 다이아몬드로 변환되면서 남은 수소는 가벼워서 빠르게 상승합니다. 이러한 수직 운동은 대기 순환을 더욱 활발하게 만듭니다. 2022년 제임스 웹 우주망원경의 관측은 해왕성 대기에서 예상보다 복잡한 화학 조성과 온도 분포를 발견했습니다. 특히 중위도 지역에서 관측된 따뜻한 영역들은 내부에서 올라오는 열과 관련이 있을 것으로 보이며, 이는 다이아몬드 비 이론을 간접적으로 뒷받침합니다. 해왕성의 위성 트리톤도 흥미로운 단서를 제공합니다. 역행 궤도를 도는 트리톤은 포획된 카이퍼 벨트 천체로 여겨지는데, 그 표면에서 검출된 메탄과 질소는 해왕성 대기와의 상호작용을 시사합니다. 일부 과학자들은 트리톤의 간헐천 활동이 해왕성의 자기장 및 내부 활동과 연관되어 있을 가능성을 제기합니다. 다이아몬드 비는 단순히 흥미로운 현상을 넘어 행성 과학의 중요한 연구 주제가 되었습니다. 이는 극한 환경에서의 물질 거동, 행성 내부 구조와 진화, 그리고 외계 행성의 특성을 이해하는 데 중요한 통찰을 제공합니다. 특히 최근 발견되고 있는 수많은 외계 해왕성급 행성들도 비슷한 현상을 겪고 있을 가능성이 높습니다. 미래에는 해왕성 궤도선 미션을 통해 이 이론을 직접 검증할 수 있을 것으로 기대됩니다.