기초과학 해성 중력이 약한 행성이 대기를 잃는 과정― 행성의 질량, 항성 환경, 내부 진화가 만든 필연적 결과

중력이 약한 행성은 얕은 중력 퍼텐셜로 인해 대기 분자가 쉽게 탈출하며, 항성 복사와 태양풍의 영향을 직접적으로 받는다. 내부 냉각으로 자기장이 사라지면 대기 손실은 가속화되고, 장기적으로는 건조한 무대기 행성으로 진화한다. 이는 태양계와 외계행성 모두에서 확인되는 보편적 진화 경향이다.

 

1. 행성 중력과 대기 유지의 물리적 한계

 중력이 약한 행성이 대기를 잃는 과정 행성이 대기를 보유할 수 있는지 여부는 단순히 “공기가 있느냐 없느냐”의 문제가 아니라, 행성 질량과 반지름이 결정하는 중력 퍼텐셜 우물(gravitational potential well)의 깊이에 달려 있다. 중력이 약한 행성은 대기 분자들이 행성 표면에 결합된 상태로 유지되기 어렵다. 대기 분자는 열 운동을 통해 끊임없이 움직이며, 이 속도가 탈출속도(escape velocity)에 근접하거나 이를 초과하면 우주 공간으로 빠져나간다. 특히 수소나 헬륨처럼 분자량이 작은 기체는 열 속도가 빠르기 때문에, 저 중력 행성에서는 초기 형성 단계부터 장기적으로 안정적인 대기를 유지하기 어렵다. 이로 인해 소형 암석 행성이나 위성급 천체는 가스 행성과 달리 두꺼운 원시 대기를 잃고, 점차 희박한 2차 대기 또는 완전한 무대기 상태로 진화한다. 중력은 단순한 힘이 아니라, 행성의 기후·지질·생존 가능성까지 좌우하는 근본적인 물리 조건이다.

2. 열적 탈출과 비열적 탈출의 복합 작용

중력이 약한 행성에서 대기 손실을 유도하는 핵심 메커니즘은 열적 탈출(thermal escape)과 비열적 탈출(non-thermal escape)이다. 열적 탈출에는 진스 탈출(Jeans escape)과 수력학적 탈출(hydrodynamic escape)이 포함된다. 특히 젊은 항성 주변에 위치한 행성은 강한 자외선과 X선 복사를 받으며 상층 대기가 가열되고 팽창한다. 이 과정에서 대기는 마치 끓어오르듯 우주로 흘러나가며, 중력이 약한 행성일수록 이 효과는 극대화된다. 비열적 탈출은 태양풍 입자, 전하 교환 반응, 이온 픽업 현상 등으로 인해 발생한다. 자기장이 약하거나 없는 행성은 항성풍에 직접 노출되어 대기 분자가 물리적으로 벗겨진다. 화성은 이러한 복합 탈출 메커니즘의 대표적 사례로, 과거 액체 물을 유지했을 가능성이 있음에도 불구하고 장기간에 걸쳐 대기를 잃고 현재의 건조한 환경으로 변했다.

3. 자기장과 내부 구조가 만드는 장기적 차이

 중력이 약한 행성이 대기를 잃는 과정 중력이 약하더라도 모든 행성이 동일한 운명을 맞는 것은 아니다. 중요한 변수는 행성 자기장과 이를 생성하는 내부 구조다. 액체 금속 핵이 활발하게 대류하는 행성은 다이너모 효과를 통해 자기장을 형성할 수 있다. 자기장은 항성풍을 편향시키는 방패 역할을 하며, 대기 상층부가 직접적으로 침식되는 것을 늦춘다. 그러나 소형 행성은 내부 열을 빠르게 잃기 때문에 핵이 조기에 냉각되고, 자기장도 함께 약화되거나 소멸한다. 이 순간부터 대기 손실은 가속화된다. 즉, 중력 약화 → 내부 냉각 → 자기장 붕괴 → 대기 침식이라는 연쇄 과정이 장기 진화를 지배한다. 이는 단순히 질량의 문제가 아니라, 행성 형성 시의 조성, 방사성 원소 함량, 맨틀-핵 열전달 효율 등 복합적인 내부 물리 조건의 결과다.

4. 외계행성 관측이 밝히는 보편적 경향

 중력이 약한 행성이 대기를 잃는 과정 최근 외계행성 관측은 중력이 약한 행성이 대기를 잃는 과정이 태양계만의 특수 사례가 아님을 보여준다. 특히 ‘서브-넵튠 반경 갭(radius gap)’ 현상은 일정 질량 이하의 행성이 두꺼운 대기를 유지하지 못하고, 암석 핵만 남는 경향을 명확히 드러낸다. 이는 항성 복사와 행성 중력 사이의 균형이 행성 분포 자체를 재편한다는 증거다. 관측 결과에 따르면 항성에 가까운 저질량 행성일수록 대기 손실이 빠르게 진행되며, 장기적으로는 밀도가 높은 ‘벌거벗은 슈퍼지구’로 진화한다. 이러한 연구는 생명 가능 행성 탐색에서도 중요한 기준을 제공한다. 대기를 잃은 행성은 표면 안정성이 떨어지고, 물의 장기적 존재 가능성도 낮아진다. 결국 중력이 약한 행성의 대기 손실은 개별 행성의 문제가 아니라, 행성계 전체의 구조와 진화 방향을 결정하는 핵심 과정이다.