카네기 과학 연구소(Carnegie Institute for Science)의 최신 전산 연구에 따르면 천왕성과 해왕성과 같은 거대 얼음 행성의 깊은 내부에는 공통 원소인 탄소와 수소가 전례 없는 형태로 존재할 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 이 새로운 물질 상태는 행성의 내부 구조와 자기장의 형성 메커니즘에 대한 과학계의 이해를 재구성할 것으로 예상됩니다.

이번 연구는 카네기 과학연구소의 Cong Liu와 Ronald Cohen이 주도했으며 관련 결과는 Nature Communications 저널에 게재되었습니다. 고성능 컴퓨팅을 활용하고 양자역학의 첫 번째 원리부터 시작하여 극고압, 고온 조건에서 단순 탄화수소(화학식은 CH, 즉 탄화수소)의 거동을 체계적으로 시뮬레이션했습니다.

천왕성과 해왕성은 "얼음 거인"으로 분류됩니다. 기존 관측 및 모델에 따르면 이 두 행성의 내부 구조는 대략 세 가지 층으로 나눌 수 있습니다. 가장 바깥쪽 층은 두꺼운 "뜨거운 얼음" 층으로 샌드위치된 수소-헬륨 대기이고, 가장 안쪽 층은 암석과 금속으로 구성된 조밀한 핵입니다. 과학계는 일반적으로 이러한 "뜨거운 얼음"이 주로 물(H2O), 메탄(CH₄) 및 암모니아(NH₄)로 구성되어 있다고 믿습니다. 그러나 극한의 압력과 온도에서 이러한 물질은 정상적인 온도 및 압력과 완전히 다른 구조와 특성을 나타냅니다.

Cong Liu와 Cohen의 시뮬레이션은 약 500~3,000기가파스칼(지구 대기압의 500만~3000만 배에 해당)의 압력 범위와 약 4,000~6,000켈빈(섭씨 약 6,740~10,340도)의 온도 범위를 다루었는데, 이는 얼음 거대 행성의 깊은 곳과 비슷한 조건입니다. 결과는 이러한 행성 내부 조건에서 탄화수소가 육각형 격자 구조의 화합물을 형성할 수 있음을 보여줍니다. 탄소는 외부에서 나선형 사슬을 형성하고, 수소는 내부에서 나선형 사슬을 형성하여 이러한 나선형 경로를 따라 방향적으로 이동합니다.

이 구조에서 물질은 소위 "준1차원 초이온 상태"를 나타냅니다. 초이온성 물질은 고체와 액체 사이의 특별한 상태입니다. 결정 격자의 일부 원자는 고체 상태로 규칙적으로 유지되는 반면, 다른 원자는 액체처럼 결정 격자 내에서 자유롭게 이동할 수 있습니다. 연구에 따르면 이 새로운 단계에서 탄소 골격은 규칙적인 육각형 결정 구조를 유지하는 반면, 수소 원자는 3차원 공간에서 등방성 확산이 아닌 미리 정의된 나선형 채널을 따라 방향적으로 주로 이동합니다.

Cohen은 새로 예측된 ​​탄소-수소 위상이 "특히 눈길을 끄는" 이유는 원자 운동이 완전히 3차원이 아니지만 특정 특정 나선형 경로로 강하게 편향되어 있기 때문이라고 지적했습니다. 이러한 고방향 이동 기능은 행성 재료에서는 매우 드뭅니다. 이러한 "준일차원" 초이온 거동은 열과 전하가 그러한 물질 내부로 전달되는 방식이 등방성 고온 유체에 대한 전통적인 이해와 매우 다를 수 있음을 의미합니다.

이 발견은 행성 과학에 여러 가지 잠재적인 영향을 미칩니다. 우선, 결정 격자 내 수소의 방향 이동은 깊은 물질의 열전도도와 전기 전도도에 직접적인 영향을 미쳐 행성의 내부 에너지가 깊은 층에서 바깥층으로 전달되는 방식을 변화시킵니다. 둘째, 이러한 비정상적인 전도 특성은 얼음 거대 행성의 특별한 자기장 형태와 관련이 있을 수 있으며, 이는 지구 및 가스 거대 행성(예: 목성과 토성)에 비해 천왕성과 해왕성의 자기장 구조가 더 왜곡되고 괴상한 관측 특성을 설명하는 데 도움이 됩니다.

최근 몇 년 동안 확인된 외계 행성의 수는 6,000개를 초과했으며 계속 증가하고 있어 천문학, 행성 과학 및 지구 과학 분야의 상호 협력이 더욱 긴밀해지고 있습니다. 관찰, 실험 및 이론적 시뮬레이션의 조합을 통해 연구자들은 자기장의 생성 메커니즘과 심층 구조의 진화를 포함하여 행성 내부의 물질 상태와 물리적 프로세스를 특성화하려고 노력합니다. 태양계의 행성과 달 깊은 곳에 있는 "보이지 않는" 영역을 모델링하는 것은 이러한 천체 자체의 행동을 이해하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 외계 거주 가능성과 같은 문제에 대한 단서를 제공할 것으로 기대됩니다.

Liu Cong은 탄소와 수소가 행성 물질에서 가장 흔한 두 가지 원소 중 하나이지만 거대한 행성과 같은 조건에서 이 단순한 원소 조합의 거동은 완전히 이해되지 못하고 있다고 지적했습니다. 이 연구는 가장 기본적인 화학 시스템조차도 극한의 압력과 온도에서 복잡하고 예상치 못한 결정 및 동적 구조를 발전시킬 수 있음을 보여줌으로써 고압 물질 세계에 대한 과학 연구자의 이해 범위를 확장합니다.

행성 물리학에서의 중요성 외에도 강력한 방향성 전달 특성을 지닌 이 재료는 재료 과학 및 공학의 더 넓은 분야에서도 응용 가능성을 찾을 수 있습니다. 예를 들어, 높은 이방성 전기 또는 열 전도성이 필요한 시나리오에서 이러한 유형의 초이온성 물질은 새로운 기능성 물질에 대한 이론적 청사진이 되어 미래 에너지 및 전자 장치 설계에 대한 새로운 아이디어를 제공할 것으로 예상됩니다.