명왕성 대기는 사라질까 — 얼어붙어 가는 얇은 하늘

1.지구의 10만분의 1이라는 하늘

먼저 이 하늘이 얼마나 얇은지부터 몸으로 가늠해 보자. 뉴호라이즌스가 명왕성을 지나며 잰 표면 기압은 약 10마이크로바, 정밀하게는 고도 1,190km 언저리에서 11.5마이크로바 남짓이었다. 지구 해수면 기압이 대략 1바인 걸 떠올리면, 명왕성 하늘은 지구의 10만분의 1쯤 되는 옅기다. 지상에서 이만한 진공을 만들려면 꽤 성능 좋은 펌프가 필요하다. 우리 기준으로는 거의 텅 빈 것이나 다름없다. 그럼에도 이건 엄연히 하늘이라 부를 자격을 갖춘 공기층이다.

이 옅은 공기의 대부분은 질소다. 지구 대기의 주성분과 같은 그 질소가, 명왕성에서는 대기의 거의 전부를 채운다. 여기에 메탄이 소량, 일산화탄소가 아주 조금 섞여 있다. 명왕성 표면에는 질소와 메탄과 일산화탄소가 얼음으로 얼어붙어 있는데, 햇빛이 조금이라도 이 얼음을 데우면 얼음이 곧장 기체로 승화해 하늘로 올라간다. 그러니까 이 하늘은 땅에서 피어오른 하늘이다. 표면의 얼음과 위의 공기가 한 몸처럼 이어져, 땅이 데워지면 하늘이 두꺼워지고 땅이 식으면 하늘이 얇아진다.

2.스무 겹으로 쌓인 파란 안개

뉴호라이즌스가 명왕성을 지나쳐 뒤돌아본 순간, 가장 많은 사람을 놀라게 한 사진이 한 장 있다. 태양을 등진 명왕성의 어두운 뒤편 가장자리를 따라, 푸르스름한 띠가 여러 겹 층층이 쌓여 빛나고 있었다. 대기 중에 떠 있는 안개였다. 그것도 한 겹이 아니라 스무 겹 남짓, 고도 200km 안팎까지 차곡차곡 포개진 안개층이었다. 얇다던 하늘치고는 뜻밖으로 켜가 많고 결이 또렷했다.

안개가 파랗게 보이는 데도 이유가 있다. 햇빛을 받은 메탄과 질소가 하늘 높은 곳에서 화학반응을 일으키면, 탄소가 얽힌 작고 끈끈한 알갱이들이 만들어진다. 이 알갱이들이 햇빛 중에서도 파란빛을 유독 잘 흩뿌리기 때문에, 멀리서 본 명왕성의 안개가 푸른 기를 띤다. 사실 이런 안개는 토성의 위성 타이탄에서도 비슷한 방식으로 생겨난다. 질소와 메탄이 햇빛에 부서져 안개를 빚는 이 화학이, 태양계의 서로 다른 두 세계에서 나란히 벌어지고 있는 셈이다. 다만 명왕성의 안개는, 곧 이야기할 아주 특별한 일 하나를 더 해내고 있었다.

3.예상보다 30도가 더 추운 하늘

명왕성 하늘에는 관측 전 아무도 예상하지 못한 구석이 하나 있었다. 뉴호라이즌스가 대기의 온도를 재 보니, 위쪽 하늘이 이론이 내다본 것보다 훨씬 차가웠던 것이다. 그전까지 과학자들은 명왕성 상층 대기가 100도(절대온도) 언저리일 거라 셈해 두고 있었다. 그런데 실제로 잰 값은 65도에서 70도, 예상보다 30도가량이나 낮았다. 그 먼 곳의 하늘은, 우리가 짐작하던 것보다도 한층 더 얼어 있었다.

이 30도의 차이는 단순한 숫자 조정으로 넘길 일이 아니었다. 대기가 이렇게까지 차가우면, 공기가 우주로 달아나는 속도도 그만큼 느려진다. 관측 전에는 명왕성이 상당한 양의 공기를 우주로 흘려보내고 있으리라 여겼는데, 하늘이 예상보다 차갑다는 건 그 새어 나감이 짐작보다 훨씬 더뎌야 한다는 뜻이었다. 명왕성의 하늘은 생각만큼 빨리 흩어지지 않는다. 그런데 이 하늘을 이토록 차게 식히는 범인은 대체 무엇일까. 한동안 아무도 여기에 딱 부러지게 답하지 못했다.

4.안개가 하늘을 식힌다 — 태양계의 별종

2017년, 캘리포니아대학의 시 장이 한 가지 대담한 가설을 내놓았다. 명왕성 하늘을 식히는 주역이 떠 있는 안개 알갱이라는 것이었다. 보통의 대기에서는 기체 분자가 열을 머금고 내뿜으며 온도를 조절한다. 그런데 장이 보기에 명왕성만은 달랐다. 그 역할을 떠 있는 안개 입자들이 도맡는다는 것이다. 안개가 햇빛을 받아 데워지고 다시 열을 우주로 내버리며, 이 별의 하늘 전체를 예상보다 차게 붙든다는 그림이었다. 태양계 어느 하늘도 이렇게 굴러가지 않는다. 그래서 당시 동료들은 이 발상을 꽤 미심쩍어했다.

다만 장은 검증할 방법 하나를 함께 걸어 두었다. 만약 안개가 정말 하늘을 식히고 있다면, 그 안개는 열을 중적외선이라는 특정한 빛으로 내뿜고 있어야 한다. 언젠가 충분히 예민한 망원경이 나오면 그 빛을 직접 잡을 수 있으리라는 예측이었다. 그리고 2025년, 제임스 웹 우주망원경이 바로 그 빛을 명왕성에서 붙들어 냈다. 웹이 잡아낸 열의 무늬는 장의 예측과 들어맞았고, 연구팀은 이를 두고 안개가 명왕성 대기의 열수지를 실제로 좌우한다는 증거로 해석했다. 여덟 해 전의 대담한 가설이, 관측 앞에서 조용히 고개를 끄덕이게 된 순간이었다. 명왕성 하늘은 이렇게, 안개가 온도를 쥐고 흔드는 태양계의 유일한 하늘로 남게 됐다.

지구의 10만분의 1 두께인 이 하늘이, 온도를 공기가 아닌 안개에 내맡기고 있다.

5.부풀다 멈추고, 이제 꺼지는가

이 하늘의 두께는 가만히 머물러 있지 않는다. 명왕성이 별 앞을 가리고 지나갈 때 그 뒤의 별빛이 어떻게 흐려지는지를 재면, 지구에서도 대기의 기압을 가늠할 수 있다. 이 방법으로 오래 지켜본 결과, 명왕성 대기는 1988년부터 2002년 사이 기압이 두 배로 불었고, 2016년까지도 꾸준히 부풀어 처음의 세 배 가까이까지 두꺼워졌다. 그동안 명왕성은 북반구에 여름이 드는 중이었다. 여름 볕이 표면의 질소 얼음을 데워 하늘로 올려 보냈으니, 하늘이 두꺼워진 것이다.

그런데 최근 관측은 이 부풀기가 멈췄고 어쩌면 반대로 꺼지기 시작했음을 넌지시 비친다. 2015년 무렵부터 2021년까지 기압은 더 오르지 않고 고른 고비를 유지했고, 그 뒤 살짝 내려앉은 조짐이 잡혔다. 한 연구진은 고도 1,275km에서 기압이 7±6%, 조금 더 낮은 고도에서는 16±2% 줄었다고 보고했다. 다만 앞의 7±6%는 오차 폭이 값 자체만큼이나 커서, 정말 줄어든 건지 못 박기엔 아직 이르다. 연구진 스스로도 더 많은 자료가 쌓여야 이 변화가 확증된다고 못을 박아 두었다. 하늘이 얼어붙기 시작했을지도 모른다는 이 신호는, 지금으로선 확신이라기보다 눈여겨볼 조짐에 가깝다.

6.겨울로 가는 별 — 얼어붙나, 버티나

명왕성이 여름 끝자락에서 겨울로 접어들고 있다는 데는 까닭이 있다. 명왕성은 자전축이 122도 가까이 벌렁 누운 채, 상당히 찌그러진 궤도로 태양을 돈다. 태양에 가장 가까웠던 때가 1989년이었으니, 그 뒤로는 줄곧 태양에서 멀어지는 내리막을 걷는 중이다. 별에서 멀어질수록 볕은 여위고, 표면 얼음을 데워 하늘로 올릴 힘도 줄어든다. 그래서 오래전부터 몇몇 모형은, 명왕성이 태양에서 멀어지며 하늘을 통째로 얼려 땅에 내려놓을 거라고 내다봤다. 대기의 붕괴, 곧 하늘이 얼어붙어 사라지는 일이다.

그렇다고 이 하늘이 곧 사라진다고 단정할 일은 아니다. 명왕성의 커다란 하트, 스푸트니크 평원에는 질소 얼음이 어마어마하게 고여 있다. 이 거대한 질소 창고가 있는 한, 그리고 땅속 깊은 곳이 열을 더디게 잃는 한, 명왕성 대기는 궤도를 한 바퀴 도는 내내 완전히 얼어붙지는 않고 버티리라 보는 연구자들도 있다. 하늘이 얇아지긴 해도 아주 없어지지는 않는다는 그림이다. 겨울로 가는 이 별의 하늘이 정말 꺼질지 아니면 옅어진 채 버틸지는, 아직 저울 위에 나란히 놓여 있다. 답은 앞으로 수십 년의 관측이 천천히 가려낼 몫이다.

7.65억 km 밖의 옅은 숨

이 먼 하늘 이야기가 뜻밖에 우리 쪽으로 되돌아오는 대목이 하나 있다. 지구에 산소가 쌓이기 한참 전, 그러니까 24억 년쯤 전의 어린 지구에도 산소는 거의 없고 질소와 탄화수소가 하늘을 채우고 있었다. 지금 명왕성 하늘을 빚고 있는 그 화학과 크게 다르지 않은 풍경이다. 그래서 명왕성의 파란 안개를 들여다보는 일은, 생명이 막 깃들기 시작하던 무렵의 지구 하늘을 멀리서 되짚어 보는 일이기도 하다. 65억 km 밖의 옅은 숨 하나가, 우리가 어디서 왔는지를 넌지시 비춰 주는 셈이다.

오늘 당신이 찬 공기를 한 번 크게 들이쉰다면, 그 평범한 숨이 실은 얼마나 진기한 것인지 잠깐 떠올려 봐도 좋겠다. 명왕성에서는 하늘 전체가 계절을 따라 피어올랐다 얼어붙기를 되풀이한다. 그 얇은 공기마저 안개에 온도를 내맡긴 채 겨울로 향한다. 우리는 그 하늘을 직접 마셔 볼 수도 없고, 앞으로 오래도록 다시 찾아가 보기도 어려울 것이다. 그런데도 우리가 자꾸 그 옅은 하늘을 올려다보는 건, 거기서 우리 자신의 오래된 하늘을 얼핏 알아보기 때문인지도 모른다. 저 먼 별의 숨과 지금 당신의 숨은, 생각보다 그리 멀지 않은 곳에서 이어져 있다.