아마추어와 프로 천문학자들이 협력해 연구한 결과, 목성의 구름이 지금까지 정설처럼 인식됐던 ‘암모니아 얼음으로 인해 형성’된 것이 아니라 안개성 스모그와 혼합된 황화수소암모늄으로 구성됐을 가능성이 높은 것으로 나타났다.

이는 옥스퍼드 대학교를 비롯한 연구진에 의해 수행됐으며, 지구물리학 연구 저널(Journal of Geophysical Research: Planets)에 게재됐다. 보고서의 요약 글은 옥스퍼드 대학교 홈페이지에 실렸다.

새로운 발견은 미국 콜로라도의 아마추어 천문학자 스티븐 힐 박사에 의해 시작됐다. 그는 우주 관측용 일반 망원경 및 특수 색상 필터를 사용해 목성 대기의 풍부한 암모니아와 구름 꼭대기 압력을 매핑(지도화)하는 데 성공했다.

힐 박사의 성과는 아마추어 천문학자가 목성 대기의 암모니아 풍부함을 지도화할 수 있음을 보여주었을 뿐만 아니라, 구름이 목성의 따뜻한 대기 속에 너무 깊이 자리 잡고 있어 암모니아 얼음이라고 볼 수 없다는 것을 보여주었다.

연구에서 옥스포드 대학 물리학과의 패트릭 어윈 교수는 칠레에 있는 유럽 남방 천문대 초대형 망원경(VLT)의 다중 유닛 분광 탐사기(MUSE)로 힐 박사의 분석 방법을 적용해 목성을 관찰했다. MUSE는 분광학을 이용해 목성의 가스가 다양한 파장의 가시광선에서 뚜렷한 지문을 만들어 가스 행성인 목성 대기의 암모니아와 구름 높이를 지도화했다.

어윈 교수 팀은 컴퓨터 모델에서 빛이 가스 및 구름과 어떻게 상호 작용하는지 시뮬레이션함으로써 목성의 주요 구름이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 깊고 압력과 온도가 더 높은 영역에 있어야 한다는 것을 발견했다. 사실 암모니아가 응축되기에는 너무 따뜻했다. 구름은 암모니아 대신 황화수소암모늄으로 만들어져야 했다.

MUSE 관찰에 대한 이전 분석에서도 비슷한 결과가 나왔다. 그러나 이런 분석은 전 세계적으로 소수의 그룹에서만 수행할 수 있는 정교하고 매우 복잡한 방법이기 때문에 그 결과를 입증하기 어려웠다.

새로운 연구에서 어윈 교수 팀은 인접한 좁은 색상 필터의 밝기를 비교하는 힐 박사의 방법론이 동일한 결과를 도출한다는 사실을 발견했다. 그리고 이 새로운 방법은 훨씬 빠르고 간단하기 때문에 검증하기가 매우 쉽다. 따라서 연구팀은 목성의 구름은 실제로 700mb로 예상되는 암모니아 구름보다 더 깊은 압력을 갖고 있으며, 따라서 순수한 암모니아 얼음으로 구성될 수 없다는 결론을 내렸다.

어윈 교수는 "일반 천체 망원경과 특수 필터를 사용하는 아마추어 학자가 목성 대기에 대한 새로운 창을 열고, 목성의 오랫동안 신비로웠던 구름의 본질 및 대기가 어떻게 순환하는지를 이해하는 데 기여할 수 있음을 보여주었다"라고 말했다. 이는 시민 과학자들이 목성 대기의 특징, 목성의 띠, 작은 폭풍, 대적반과 같은 큰 소용돌이를 포함해 암모니아와 구름 압력 변화를 추적할 수 있음을 의미한다.

그렇다면 목성 구름이 암모니아가 응축돼 만들어지지 않은 이유는 무엇일까. 연구팀은 광화학(햇빛에 의해 유도되는 화학 반응)이 목성 대기에서 매우 활발하며, 습하고 암모니아가 풍부한 공기가 위로 올라가면서 암모니아가 파괴되거나, 암모니아 얼음이 형성되기도 전에 빠르게 광화학 생성물과 혼합됐기 때문이라고 추정했다.

따라서 목성의 주요 구름은 실제로 황화수소암모늄과 광화학, 스모그 생성물이 섞인 것으로, 이는 목성 이미지에서 볼 수 있는 붉은색과 갈색 색상을 생성한다는 것이다.

연구팀은 또 토성에 대한 VLT/MUSE 관측에도 이 방법을 적용했다. 그 결과 만들어진 암모니아 지도에서도 제임스웹 우주 망원경 관측에서 나온 것을 포함해 여러 연구와 유사하게 일치한다는 것을 발견했다. 이는 토성 대기에서도 유사한 광화학적 과정이 발생하고 있음을 시사한다.