기초과학 행성 가스 행성과 암석 행성의 내부 구조 결정적 차이는 무엇인가― 행성의 탄생 환경과 진화가 만든 내부 세계의 분기점

가스 행성과 암석 행성의 내부 구조 차이는 형성 위치와 물질 공급 환경에서 비롯된다. 암석 행성은 고체 중심 구조로 열과 활동성이 제한되지만, 가스 행성은 유체 지배 구조와 금속 수소층으로 장기적 자기장과 에너지 순환을 유지한다. 이 내부 구조의 차이가 행성의 진화와 운명을 결정한다.

 

1. 행성 내부 구조의 출발점은 ‘형성 위치’와 원시 원반의 조건이다

가스 행성과 암석 행성의 내부 구조 차이는 단순히 “가스로 이루어졌는가, 돌로 이루어졌는가”의 문제가 아니다. 그 출발점은 행성이 형성된 원시 행성계 원반(protoplanetary disk) 내 위치와 물질 공급 조건에 있다. 항성 가까운 영역에서는 온도가 높아 휘발성 물질이 증발하고, 철·규산염 같은 고융점 물질만 응집할 수 있다. 이 환경에서 형성된 행성은 자연스럽게 암석질 핵과 금속 핵을 중심으로 한 고밀도 내부 구조를 갖는다. 반면, 눈 선(snow line) 바깥에서는 얼음과 가스가 풍부해지고, 충분히 큰 핵이 형성되면 주변 수소·헬륨을 대량으로 포획할 수 있다. 이때부터 행성은 고체 중심부 위에 두꺼운 기체 맨틀과 대기층을 갖는 가스 행성으로 진화한다. 즉, 내부 구조의 결정적 차이는 형성 시점의 온도·압력·물질 조성이라는 초기 조건에서 이미 갈라진다.

2. 암석 행성 내부 구조: 고체 지배적 층상 구조와 열 진화의 한계

가스 행성과 암석 행성의 내부는 일반적으로 금속 핵–규산염 맨틀–고체 지각으로 이루어진 비교적 단순하지만 밀도 대비 에너지가 큰 구조를 가진다. 이 구조의 핵심은 ‘고체 지배적 상태’다. 철과 니켈로 구성된 핵은 행성 자기장을 생성할 수 있는 열적·조성적 대류의 기반이 되지만, 행성 크기가 작을수록 내부 열은 빠르게 방출된다. 그 결과 시간이 흐르며 핵의 대류가 약화되고 자기장이 사라질 가능성이 커진다. 화성이 대표적인 사례다. 또한 암석 행성의 맨틀 대류는 판 구조, 화산 활동, 표면 재생을 가능하게 하지만, 질량이 일정 임계값 이하일 경우 장기적 활동성을 유지하기 어렵다. 암석 행성 내부 구조의 결정적 한계는 열 저장 능력과 물질 상태의 경직성에 있으며, 이는 행성의 장기 진화 경로를 비교적 빠르게 고정시킨다.

3. 가스 행성 내부 구조: 극단적 압력·온도와 물질 상태의 전환

가스 행성과  내부는 암석 행성과 전혀 다른 물리적 세계다. --외부에서 내부로 갈수록 압력과 온도가 급격히 증가하며, 수소는 분자 상태에서 금속 수소 상태로 전이한다. 이 금속 수소층은 가스 행성 내부 구조의 핵심이며, 강력한 행성 자기장의 근원이다. 목성과 토성의 자기장이 지구보다 수십~수백 배 강한 이유가 여기에 있다. 또한 가스 행성은 명확한 ‘표면’이 없고, 대기–유체–고밀도 유체가 연속적으로 이어지는 구조를 가진다. 중심부에는 암석과 얼음으로 이루어진 핵이 존재할 가능성이 높지만, 그 비중은 전체 질량 대비 작다. 중요한 점은 가스 행성 내부가 유체 지배적이며 지속적인 열 수송이 가능하다는 것이다. 이로 인해 수십억 년이 지나도 내부 활동성과 자기장이 유지된다. 내부 구조의 차이는 곧 에너지 순환 방식의 차이로 이어진다.

4. 내부 구조의 차이는 행성의 ‘운명’을 갈라놓는다

가스 행성과 암석 행성의 내부 구조 차이는 단순한 구성 물질의 차이를 넘어, 행성의 생존 전략 자체를 다르게 만든다. 암석 행성은 내부 구조가 안정되면 변화가 느려지고, 환경 변화에 취약해진다. 대기를 잃거나 자기장이 사라지면 급격한 진화 단절을 겪는다. 반면 가스 행성은 거대한 내부 에너지 저장고와 유체 구조 덕분에 외부 환경 변화에도 비교적 안정적이다. 항성 복사량이 변하거나 궤도가 이동해도 내부 구조가 쉽게 붕괴되지 않는다. 결국 행성의 내부 구조는 그 행성이 얼마나 오래 활동적인 세계로 남을 수 있는지, 그리고 항성계 내에서 어떤 역할을 수행하는지를 결정한다. 태양계에서 목성이 방패 역할을 하고, 지구가 생명 친화적 환경을 유지한 배경에는 이 근본적인 내부 구조 차이가 자리한다.