수성이 쪼그라든다…45억년간 지름 23km 수축한 듯

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태양계에서 가장 작은 행성인 수성이 지금까지 알려진 것보다 훨씬 많이 쪼그라들었다는 연구 결과가 나왔다. 그동안 수성 표면의 지각변동 흔적이 실제보다 적게 확인되면서, 수성이 얼마나 줄어들었는지가 과소평가돼 왔다는 것이다. 현재 수성의 평균 지름은 4880km로 지구의 3분의 1 정도다.

일본 홋카이도대와 도쿄대, 독일항공우주센터(DLR) 공동 연구진은 수성 표면의 '거칠기'를 새로 분석한 결과, 수성의 반지름 수축량이 기존 추정치보다 최대 30% 더 큰 것으로 나타났다고 국제학술지 ‘지구물리학 연구 서신(Geophysical Research Letters)’에 발표했다.

약 45억년 전 태양계 형성 당시 수성은 표면 온도가 수천도에 이르는 매우 뜨거운 행성이었다. 그러나 금속 핵이 식으면서 부피가 줄어들기 시작했다. 마치 포도가 수분을 잃고 건포도로 변해가는 것처럼, 내부가 냉각되면서 표면에는 깎아지른 절벽과 능선 같은 주름 지형들이 생겨났다. 이를 수축 구조라고 부른다. 이 수축 구조를 파악하면 수성이 지금까지 얼마나 줄어들었는지 알 수 있다. 지금까지 나온 추정치는 적게는 1~2km에서 많게는 7km까지 편차가 크다.

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연구진은 그런데 수성이 내부는 비교적 고르게 냉각되고 있는데도, 표면 주름의 분포가 들쭉날쭉하다는 사실을 발견했다. 어떤 지역은 길고 뚜렷한 절벽 지형이 빽빽한 반면, 어떤 지역은 지각변동 흔적이 거의 보이지 않았다. 연구진은 그 원인이 소행성 충돌로 인해 생긴 충돌구와 파편들이 지각 변동의 흔적을 가렸기 때문이라는 가설을 세웠다.

“금속 핵 더 크거나 초기 온도 더 높았을 것”

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연구진은 이 가설을 검증하기 위해 수성 전체 표면의 거칠기(울퉁불퉁한 정도) 지도와 기존 지질 지도를 비교했다. 그 결과 거친 지역일수록 수축 구조가 드물다는 걸 확인했다.

비교적 최근에 생긴 대형 충돌구에서 이런 특징이 더 뚜렷하게 나타났다. 충돌 후 지표면의 물질이 주변으로 흩어지면서 분출물이 오래된 지표면을 덮어 버린 것이다. 또 충돌구에서 가까울수록 수축 구조가 뜸해지는 현상도 눈에 띄었다. 연구진은 이것 역시 충돌 후 분출된 물질에 묻혔기 때문일 것으로 봤다.

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연구진이 이런 점을 고려해 계산한 결과, 수성의 반지름은 처음보다 최소 6.9km, 최대 11.6km 줄어든 것으로 추정됐다. 지름으로는 14∼23km에 이른다. 분석 지형에 따라 수축량이 10~30% 과소평가된 것으로 추산됐다.

연구진은 “수성의 수축 폭이 커진 것은 예상보다 수성의 금속 핵이 더 크거나, 금속 핵에 가벼운 원소가 덜 섞여 있거나, 초기 온도가 더 높을 수 있음을 의미한다”고 밝혔다.

11월 베피콜롬보 수성 도착…정밀 관측 예정

연구진은 수정된 수치도 과소평가되었을 가능성이 있다고 본다. 이번 추정치는 2015년 임무를 마친 미국항공우주국(나사)의 메신저 탐사선이 수집한 데이터를 기반으로 한 것인데, 메신저는 해상도가 낮아 5km 이상의 큰 지형만 식별할 수 있었기 때문이다. 해상도가 낮을수록 수축 구조의 높이가 실제보다 낮게 측정되는 경향이 있다.

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연구진은 유럽우주국(ESA)과 일본 우주항공연구개발기구(JAXA)의 공동 수성탐사선 베피콜롬보가 수성 궤에 도착하면, 탑재된 레이저고도계(BELA)를 이용해 100m 수준의 훨씬 더 높은 해상도로 표면 거칠기를 측정할 수 있을 것으로 기대했다. 2018년 지구를 출발한 베피콜롬보는 지구, 금성, 수성의 중력 도움을 받는 경로를 비행한 끝에, 오는 11월21일 수성 궤도에 진입한다.

연구진은 또 이번에 적용한 분석 방법은 달의 수축 속도를 더욱 정밀하게 측정하는 데도 도움을 줄 수 있을 것으로 내다봤다. 달 고지대의 표면 거칠기는 수성보다 거의 40% 높기 때문에, 달의 수축 구조 역시 거칠기에 가려져 저평가되었을 가능성이 있다는 것이다.

*논문 정보

Underestimation of Planetary Contraction Due To Obscuration by Surface Roughness: The Case of Mercury.