명왕성 저온화산 — 얼음이 분출하는 화산의 정체

화산이라는 말을 들으면 붉은 것이 먼저 떠오른다. 녹은 바위, 김이 오르는 분화구, 흘러내리는 용암. 그런데 명왕성에서 화산이라 불리는 지형에는 붉은 것이 없다. 표면 온도가 35~60 K, 그러니까 섭씨 영하 238도에서 영하 213도 사이니 그럴 만도 하다.

그 온도에서는 물얼음이 우리가 아는 바위와 같은 역할을 한다. 녹는점에서 한참 떨어져 있어 꿈쩍도 하지 않는 단단한 암반이다. 그러니 명왕성에서 화산이 있었다는 말은, 그 암반이 어떻게든 물러져 위로 밀려 올라왔다는 뜻이 된다.

이 이야기는 하트 모양 얼음 벌판의 남서쪽에서 시작한다. 뉴호라이즌스가 2015년 7월 14일에 스쳐 지나며 찍어 온 그 지역은, 태양계 어디에서도 비슷한 것을 찾기 어려운 낯선 땅이었다.

명왕성 저온화산은 무엇일까

지하의 유동성 물질이 표면으로 밀려 나와 기존 지형을 부분적으로 또는 통째로 갈아엎는 과정을 저온화산 활동이라 부른다. 지구 화산과 갈리는 지점은 재료다. 지구에서는 암석이 녹아 마그마가 되지만, 명왕성에서는 암반 노릇을 하던 물얼음이 걸쭉한 슬러시 상태로 올라온다. 명왕성 표면 기압이 약 10 마이크로바까지 낮아 액체가 표면에 오래 남지 못하는 조건에서, 이 재료는 흘러나오자마자 굳어 지형이 된다. (Singer 외 2022, Nature Communications)

정의부터 이렇게 넓게 잡는 데는 이유가 있다. 지구 화산학의 어휘를 그대로 가져다 쓰면 명왕성에서는 자꾸 어긋난다. 분화구도, 용암류의 흐름 방향도, 화산체 옆구리에 남는 둑 같은 구조도 이 지역에서는 보이지 않기 때문이다.

보이는 것은 결과뿐이다. 넓은 땅이 무언가에 덮였고, 그 덮은 재료가 위로 솟았다. 연구진이 화산이라는 단어를 쓰면서도 그 앞에 굳이 '잠재적'이라는 말을 붙여 온 까닭이 여기 있다.

라이트몬스는 얼마나 큰가

라이트몬스는 주변 지형보다 약 4~5km 높고 폭이 약 150km다. NASA는 이것이 정말 얼음 화산이라면 외태양계에서 발견된 가장 큰 그런 지형이 된다고 밝혔다. 융기 본체만 따진 추정 부피는 약 2만 4천 km³로 하와이 마우나로아에 견줄 만하다. 이웃한 피카드몬스는 더 커서, 가장 높은 곳이 약 7km이고 폭이 약 225km다. (NASA, Pluto's Wright Mons in Color · Singer 외 2022)

이름은 라이트 형제에서 따왔다. 뉴호라이즌스 팀이 비공식으로 붙인 명칭이다. 첫 비행을 해낸 사람들의 이름이 태양계 가장자리의 얼음 언덕에 붙었다는 사실이, 나는 어쩐지 마음에 든다.

크기를 실감하려면 숫자를 몸으로 옮겨 봐야 한다. 폭 150km라면 걸어서 사나흘은 가야 반대편 기슭에 닿는다. 그 넓이가 통째로 4km 넘게 들려 올라간 셈이다. 다만 사면 경사는 3~5도, 가파른 곳도 10도 정도라 실제로 그 위에 서면 산이라는 느낌이 잘 들지 않을 것이다. 그저 완만한 오르막이 하루 종일 이어질 뿐이다.

왜 화산이라고 볼 수 있을까

세 가지 근거가 겹친다. 첫째, 이 넓은 지대에 충돌 크레이터가 거의 없다. 확실한 사례가 하나도 없을 정도여서, 지형을 만든 사건이 표면을 리셋했다는 뜻이 된다. 둘째, 표면의 울퉁불퉁한 질감이 융기의 꼭대기와 옆구리, 낮고 평평한 땅에까지 고르게 나타나 명왕성 다른 곳의 빙하 침식이나 승화 침식 지형과 닮지 않았다. 셋째, 이 지형들은 주변보다 훨씬 높이 솟아 있어 깎여 남은 잔재로는 설명되지 않는다. (Singer 외 2022)

세 번째가 특히 결정적이다. 침식으로 만들어진 지형이라면 원래 있던 땅에서 깎여 나가고 남은 것이어야 한다. 그런데 이 융기들은 주변 땅보다 위로 솟아 있다. 없던 것이 더해진 자리라는 뜻이다.

크레이터 이야기도 짚어두자. 명왕성에는 수십억 년치 충돌 자국이 빼곡한 지역이 따로 있다. 같은 별에서 어떤 땅은 흠집투성이인데 이 지대만 매끈하다면, 매끈한 쪽이 나중에 덮였다고 보는 편이 자연스럽다. 크레이터 수로 계산한 연대 상한은 약 10~20억 년인데, 표본이 워낙 적어 실제로는 훨씬 젊을 수도 있다.

깎여 남은 것이 아니라 더해진 것이다. 그 한 줄이 이 땅을 화산 쪽으로 밀어붙였다.

무엇이 분출한 것일까

물얼음 위주로 본다. 명왕성 표면에는 메탄과 질소, 물의 얼음이 모두 대량으로 존재하지만, 라이트몬스 일대에서 메탄 신호는 고도가 높을수록 강해져 대기에서 내려앉은 얇은 층으로 해석된다. 질소 얼음은 명왕성 표면 조건에서 몇 km 높이의 지형을 버티지 못하고 주저앉는다. 남는 후보가 물얼음이다. (Singer 외 2022)

이 추론 방식이 재미있다. 무엇이 있는지 직접 확인한 것이 아니었다. 있을 수 없는 것을 하나씩 지운 결과다. 메탄은 화장품처럼 얇게 발린 것이고, 질소는 그 무게를 스스로 지탱하지 못한다. 그러면 남는 것은 하나다.

다만 물얼음만으로는 문제가 남는다. 순수한 물얼음은 명왕성 온도에서 꿈쩍도 하지 않기 때문이다. 그래서 암모니아나 소금 같은 부동액 성분이 섞여 녹는점을 끌어내렸으리라는 짐작이 따라붙는다. 암모니아는 조건에 따라 어는점을 최대 100 K까지 낮출 수 있다.

그런데 정작 이 지역에서는 암모니아의 뚜렷한 신호가 잡히지 않았다. 명왕성의 다른 곳, 버질 포새라 불리는 균열대에서는 암모니아 계열 물질이 검출됐지만 라이트몬스 일대에서는 아니다. 표면을 덮은 메탄 신호에 가려졌을 가능성이 거론될 뿐이다. 필요한 재료가 있어야 할 곳에서 아직 발견되지 않았다는 사실은, 이 그림에 남은 가장 정직한 빈칸이다.

가운데 구덩이는 칼데라일까

전형적인 칼데라와는 다르게 생겼다. 라이트몬스의 중앙 함몰부는 폭이 40~50km로 지형 전체 폭의 3분의 1가량을 차지하고, 깊이가 약 4km여서 산 자체의 높이와 맞먹는다. 붕괴로 생긴 칼데라라면 산 부피의 절반 넘는 양이 사라져야 하는데, 그럴 때 남는 계단식 단구 같은 구조가 보이지 않는다. 2022년 연구진은 대신 여러 개의 융기가 옆으로 붙어 자라면서 가운데만 메워지지 않고 남았다는 설명을 내놓았다. (Singer 외 2022)

이 제안은 그 전까지의 그림을 바꾼다. 라이트몬스를 정상에 칼데라를 인 하나의 화산체로 보던 시각에서, 여러 개의 언덕이 뭉쳐 우연히 고리처럼 보이게 된 지형으로 옮겨 가는 것이다. 실제로 라이트몬스와 피카드몬스 사이에도 비슷하게 생긴 융기들이 줄지어 있고, 그 사이에 뚜렷한 경계가 없다.

사라진 부피를 설명할 필요가 없어진다는 점에서 이 그림은 경제적이다. 다만 이것도 관측이 아니라 해석이다. 뉴호라이즌스가 이 지역에서 얻은 최고 영상의 해상도는 픽셀당 234~315m 수준이고, 그보다 작은 구조는 애초에 판별할 수 없었다.

그 추운 별에 무슨 열이 남아 있었을까

여기가 이 이야기의 가장 큰 미해결 지점이다. 명왕성의 암석 함량으로 추정한 방사성 가열은 약 5 mW/m² 이하로 낮고, 카론과의 조석 가열은 충돌 이후 1억 년 안에 끝났을 것으로 본다. 그런데도 지형은 명왕성 역사에서 늦은 시기에 만들어졌다. 연구진은 가스 하이드레이트 같은 단열층이 암석 핵에서 나온 열을 오래 가둬 두었다가 뒤늦게 내놓았을 가능성을 제시한다. (Singer 외 2022)

순서를 정리하면 이렇다. 열이 있어서 지형을 설명하는 것이 아니라, 지형이 있으니 열이 있었어야 한다고 거꾸로 말하는 상황이다. 관측된 결과가 예상된 조건보다 앞서 있는 것이다.

이런 어긋남은 대개 반가운 소식이다. 명왕성이 얼음 밑에 바다를 품고 있을지 논의할 때도 열 문제가 핵심이었다. 두 이야기가 같은 곳을 가리킨다면, 우리가 작은 얼음 천체의 내부를 너무 단순하게 상상해 왔다는 뜻이 된다. 2026년에 나온 한 리뷰는 명왕성을 두고 '눈부시고, 역동적이며, 결코 죽지 않았다'는 제목을 달았다.

그래서 화산이라고 확정된 것일까

확정되지 않았다. 결정적으로, 물질이 뿜어져 나온 분출구도 흘러간 방향을 알려줄 흐름 자국도 아직 찾지 못했다. 폭발성 분출의 흔적도 없다. 연구진의 결론은 이 지형이 '지하 여러 곳에서 올라온 물질로 만들어진 것과 부합한다'는 형태이지, 분출을 목격했다는 뜻이 아니다. 게다가 이 지대는 남쪽으로 이어지다가 안개 빛이 닿지 않는 곳에서 끊겨, 전체 범위조차 알지 못한다. (Singer 외 2022)

여기서 관측과 해석을 갈라 두는 편이 좋겠다. 뉴호라이즌스가 실제로 본 것은 지형의 높이와 폭, 표면 질감, 크레이터의 개수, 그리고 얼음의 분광 신호다. 저온화산이라는 이름은 그 관측들을 가장 적은 무리로 잇는 그림에 붙은 이름이다.

그렇다고 이 이름이 가벼운 것은 아니다. 다른 설명들은 하나같이 더 큰 무리를 요구한다. 침식이라기엔 땅이 솟아 있고, 붕괴라기엔 사라진 부피가 없으며, 대기에서 쌓인 것이라기엔 재료가 그 높이를 버티지 못한다. 남은 가능성 중 가장 덜 이상한 것이 화산이었다.

명왕성 이야기가 자꾸 이런 모양이 되는 게 나는 흥미롭다. 단 한 번, 몇 시간 스쳐 지나간 탐사선이 남긴 자료로 우리는 여전히 논쟁하고 있다. 확정된 답이 없다는 말은 곧 그 별에 다시 가야 할 이유가 남아 있다는 말이기도 하다. 언젠가 궤도선이 그곳을 천천히 돌며 중력을 재고 얼음 밑을 들여다볼 날이 오면, 이 완만한 언덕들은 다시 한 번 이름을 얻거나 잃을 것이다.

자주 묻는 질문

명왕성 저온화산이란 무엇인가요?

지하의 유동성 물질이 표면으로 밀려 나와 기존 지형을 부분적으로 또는 통째로 갈아엎는 과정을 저온화산 활동이라 합니다. 지구 화산과 다른 점은 녹아 올라오는 재료입니다. 지구에서는 암석이 녹아 마그마가 되지만, 명왕성에서는 암반 노릇을 하던 물얼음이 걸쭉한 슬러시 상태로 올라옵니다.

라이트몬스는 얼마나 큰가요?

주변 지형보다 약 4~5km 높고 폭이 약 150km입니다. NASA는 이것이 정말 얼음 화산이라면 외태양계에서 발견된 가장 큰 그런 지형이 될 것이라고 밝혔습니다. 융기 본체만의 추정 부피는 약 2만 4천 km³로, 하와이 마우나로아와 비슷한 규모입니다.

피카드몬스는 라이트몬스와 어떻게 다른가요?

피카드몬스가 더 큽니다. 가장 높은 지점이 약 7km, 폭이 약 225km입니다. 다만 뉴호라이즌스가 최고해상도 촬영을 하던 시점에 피카드몬스는 이미 밤낮 경계선(터미네이터)을 넘어가 있었고, 대기 중 안개가 반사한 빛으로만 찍혔기 때문에 자료의 신호 대 잡음비가 낮습니다.

왜 이 지형을 화산이라고 보나요?

세 가지가 겹칩니다. 첫째, 이 넓은 지대에 충돌 크레이터가 거의 없어 지형이 최근에 새로 만들어졌음을 뜻합니다. 둘째, 표면의 울퉁불퉁한 질감이 명왕성의 다른 곳에서 보이는 빙하 침식이나 승화 침식 지형과 다릅니다. 셋째, 이 지형들이 주변보다 훨씬 높이 솟아 있어 깎여 남은 잔재로는 설명되지 않습니다.

명왕성 저온화산에서 분출한 물질은 무엇인가요?

물얼음 위주로 봅니다. 표면에서는 메탄과 질소 얼음의 신호도 잡히지만, 메탄은 대기에서 내려앉은 얇은 층으로 해석되고 질소 얼음은 명왕성 표면 조건에서 몇 km 높이의 지형을 지탱하지 못합니다. 남는 후보가 물얼음입니다.

지금도 분출하고 있나요?

알 수 없습니다. 크레이터가 드물다는 사실에서 나온 연대 상한이 약 10~20억 년이고, 통계 표본이 적어 그보다 훨씬 젊을 수도 있다는 것까지가 현재 말할 수 있는 전부입니다. 분출이 진행 중인 장면은 관측된 적이 없습니다.

그 추운 명왕성에 어떻게 열이 남아 있나요?

아직 풀리지 않은 문제입니다. 암석 함량으로 추정한 방사성 가열은 약 5 mW/m² 이하로 낮고, 카론과의 조석 가열은 충돌 이후 1억 년 안에 끝났을 것으로 봅니다. 연구진은 가스 하이드레이트 같은 단열층이 내부 열을 오래 가둬 두었을 가능성을 제시합니다.

참고 자료

• Singer, K. N. 외. Large-scale cryovolcanic resurfacing on Pluto. Nature Communications 13, 1542 (2022). — 라이트몬스·피카드몬스의 크기와 부피, 중앙 함몰부, 크레이터 연대 상한, 조성 추론, 합체 가설, 열원 논의의 출처. 원문 (오픈 액세스)
• NASA, Pluto's Wright Mons in Color (2016년 1월 14일). — 폭 150km·높이 4km, 라이트 형제 명명, 확인된 충돌구 1개, 촬영 제원의 출처. 원문
• Moore, J. M. 외. The geology of Pluto and Charon through the eyes of New Horizons. Science 351, 1284–1293 (2016). — 라이트몬스와 피카드몬스를 저온화산 후보로 처음 제시한 논문.
• Dalle Ore, C. M. 외. Detection of ammonia on Pluto's surface in a region of geologically recent tectonism. Science Advances 5, eaav5731 (2019). — 명왕성 다른 지역(버질 포새)에서의 암모니아 검출. 원문
• Johnson, B. C. & Proudfoot, K. Pluto: dazzling, dynamic, and so not dead. Nature Communications 17, 4177 (2026). — 명왕성을 활동적인 얼음 천체로 보는 최신 정리. 원문

이 글에서 '저온화산'은 확정된 사실이 아니라 관측을 가장 적은 무리로 설명하는 해석이다. 분출구와 흐름 자국은 아직 확인되지 않았고, 지대의 전체 범위도 알려져 있지 않다. 본문의 모든 수치는 위 1차 문헌에서 그대로 옮겼으며, 단위를 바꾼 곳은 원문 값을 함께 적었다. 사진은 NASA 촬영물(퍼블릭 도메인)이고 도식 세 점은 직접 만들었다.