수성은 어떻게 ‘다이아몬드 맨틀’을 품었나

태양에서 가장 가까운 행성인 수성의 지하에 두께 약 20㎞에 달하는 다이아몬드 맨틀층이 존재할 수 있다는 연구결과가 나왔다.

스페이스닷컴 등 우주 전문 매체의 24일(이하 현지시간) 보도에 따르면, 벨기에 루벤카톨릭대학 연구진이 미국항공우주국(NASA)의 수성탐사선 ‘메신저’가 보내온 데이터 및 실험을 통해 수성에 풍부한 탄소가 표면 아래에 맨틀을 형성하는데 영향을 미쳤을 가능성을 확인했다.

다이아몬드의 성분은 탄소이며, 탄소 원자들이 조직적으로 모였을 때 단단한 흑연이 되고, 이것이 결정화되면 다이아몬드가 된다. 탄소와 다이아몬드는 동일한 원소로 이뤄졌으나 다른 성질을 가졌으며, 이를 ‘동소체’라고 부른다.

연구진은 수성 내부에 존재하는 압력과 온도를 재현하기 위해 대용량 압력기(프레스)를 사용해 수성의 환경을 재구성했다. 수성 맨틀에서 발견되는 물질과 성질이 동일한 합성 규산염에 엄청난 양의 압력을 가해 섭씨 2177도에 달하도록 환경을 만들었다.

이 과정을 통해 수성의 맨틀에서 생성될 수 있는 광물을 조사한 결과, 수성의 ‘다이아몬드 맨틀’이 어떻게 형성됐는지를 짐작할 수 있는 단서를 얻었다.

연구진은 “우리는 다이아몬드가 두 가지 과정을 거쳐 형성되었을 수 있다고 믿는다. 첫째는 마그마 바다의 결정화다. 이 과정은 핵과 맨틀 경계면에서 매우 얇은 다이아몬드층만을 형성하는 데 영향을 미쳤을 가능성이 크다”면서 “둘째는 수성의 핵이 결정화 되는 것”이라고 설명했다. 연구진에 따르면, 수성은 약 45억 년 전 우주에서 처음 형성됐을 때 수성의 핵은 완전히 액체상태였으나 시간이 흐르면서 점진적으로 결정화 되었다. 현재까지 수성의 핵에서 형성된 고체의 정확한 성질은 알려져 있지 않지만, 연구진은 이러한 단계에서의 수성 핵에는 탄소가 적거나 혹은 부족한 상태였을 것으로 보고 있다.

연구진은 “결정화 이전의 액체 핵에는 약간의 탄소가 포함돼 있으며, 이후 액체 상태로 녹아내리던 물질이 탄소 농축 과정으로 이어진다”면서 “어느 시점에서 용해도의 임계값에 도달하면 액체는 더 이상 탄소를 용해할 수 없게 되고, 이때부터 다이아몬드가 형성된다”고 설명했다.

이어 “다이아몬드는 밀도가 높은 광물이지만 금속보다는 낮기 때문에 수성의 핵과 맨틀의 경계에서 멈춘 뒤 핵의 상단으로 떠올랐을 것”이라면서 “그 결과 약 1㎞ 두께의 다이아몬드 층이 형성됐고 이후 시간이 지나면서 두께가 점차 두꺼워졌을 것”이라고 덧붙였다. 연구진은 이번 발견이 약 35억 년 전 수성에서의 화산기가 짧아진 이유를 포함해, 태양계에서 가장 작은 행성인 수성을 둘러싼 여러 의문점에 대한 단서를 밝히는 데 도움이 되길 희망한다고 밝혔다.

연구에 참여한 루벤카톨릭대학의 올리비에 나무르 박사는 “수성의 진화 과정에서 화산 활동의 단계가 다른 행성보다 짧은 수 억 년에 불과했는지가 의문이었다. 이는 행성이 매우 빠르게 냉각됐다는 걸 의미한다”면서 “부분적으로는 행성의 작은 크기와 관련이 있지만, 다이아몬드 층이 열을 빠르게 제거해 화산 활동을 더 빨리 끝낼 수 있었을 가능성에 대해 연구 중”이라고 말했다.

한편 연구진의 연구에 활용된 데이터의 출처인 수성탐사선 메신저는 2004년 발사된 뒤 2011~2015년 수성 탐사를 진행했다. 수성을 공전하며 성분과 지질 및 자기장에 관한 자료를 전송했고, 그 결과 최초로 수성 전면 지도를 완성할 수 있었다.

또 수성의 핵이 액체 철로 구성됐다는 증거와 극지에서 물·얼음과 유기 분자를 찾는 성과도 이뤘다. 이후 메신저는 2015년 수성 표면에 충돌하면서 임무를 마쳤다.