고온에서만 잡을 수 있는 초이온 얼음 구조 발견

물을 엄청난 온도와 압력에 노출시켜 생성되는 높은 융점을 가진 새로운 형태 초이온 얼음이 확인됐다는 논문이 발표됐다. 물이 풍부한 해왕성 등에 존재한다는 초이온 얼음 연구가 진행되면서 이런 행성이 갖는 특성에 대한 이해도 깊어질 것으로 기대되고 있다.

1988년 제창되어 2019년 존재가 확인된 초이온 얼음은 산소 원자가 강고한 입방격자에 갇혀 있어 이온화한 수소 원자가 마치 금속 내를 흐르는 전자처럼 격자 내를 흐르는 구조를 가진 물질이다. 이 구조에 의해 초이온 얼음은 전도성을 갖는 것 외에 융점이 높기 때문에 고온에서도 고체인 채로 되는 특성을 갖고 있다.

초이온 얼음은 물이라는 익숙한 물질의 특별한 형태지만 우주에서 가장 흔한 물 형태일 수 있으며 천왕성과 해왕성 또는 유사한 태양계 행성 내부와 유사한 곳에도 풍부하게 존재하고 있다고 생각되기 때문에 이런 행성 이해를 깊게 하는데 중요시되고 있다.

스탠포드대학 연구팀은 다이아몬드층 2장에 끼인 물 조각에 강력한 레이저를 조사하는 실험을 실시했다. 그 결과 연속 충격에 의해 압력은 200GPa, 온도는 5000K 그러니까 4,726도까지 상승했다. 또 엑스선 회절에 의해 고온에서 고밀도인 얼음 결정 구조도 밝혀졌다. 더구나 이 얼음 결정은 2019년 관측된 초이온 얼음과는 다른 새로운 상인 게 확인됐다고 한다. 이번에 발견된 19종째 결정 구조인 얼음 XIX는 BCC(body-centered cubic)를 갖고 있어 2019년 발견된 18종째 얼음 XVIII에 비해 전도성이 향상됐다.

초이온 얼음 전도성이 중요한 건 움직이는 하전 입자가 행성 자기장을 발생시키기 때문이다. 연구팀은 해왕성 핵에는 전도성이 다른 초이온 얼음 2개 상이 있다고 보고 있으며 이번에 발견된 얼음 XIX와 같은 초이온 얼음층이 전도성을 높이는 것으로 천왕성이나 해왕성에서 관측되는 이상한 다극성 자기장 발생으로 이어질 것이라고 제창하고 있다.

연구팀은 논문에서 물이 풍부한 해왕성형 태양계 외 행성 발견에 의해 행성 내부와 관련된 압력이나 온도 조건에서 물 상도를 더 자세하게 이해할 필요가 나왔다고 밝히고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.