2011년 NASA의 두 번째 수성 탐사선인 메신저호(MESSENGER)는 수성 궤도에서 수성의 표면과 우주 환경, 화학 조성, 핵의 크기와 상태, 자기장의 성질 등을 조사하기 위해 발사됐습니다. 2004년 8월 발사된 메신저호는 지구 궤도에서 벗어난 뒤 금성에서 스윙바이로 가속하며 2011년 수성 궤도로 진입했는데요. 이후 4년간 수성을 4,000번 넘게 돌며 수성을 관측했습니다. 그리고 이전에 지구에서 관측했던 수성 북극의 얼음의 존재를 확인했습니다. 낮 기온이 약 400℃에 달하는 이 행성에 어떻게 얼음이 존재할 수 있던 걸까요?
지금까지 과학자들은 수성에 존재하는 물 대부분이 소행성을 통해 전달된 것으로 여겼습니다. 그런데 조지아공과대학교(Georgia Institute of Technology)의 과학자들이 제한한 새로운 메커니즘에 따르면 수성은 태양의 도움을 받아 운영되는 '거대한 얼음제조 화학 실험실'이었습니다. 연구진에 따르면 이 메커니즘이 수성에 존재하는 얼음의 최대 10%까지 만들어낼 수 있다고 합니다. 해당 연구는 <Astrophysical Journal Letters>에 게재됐습니다.
거대한 자성 토네이도
연구에 따르면 강한 태양풍이 수성 표면에 양성자를 전달하는 것에서부터 이 메커니즘은 시작됩니다. 태양풍에서 나온 양성자는 지구보다 수성에 훨씬 더 풍부한데요. 지구의 자기장은 강하기 때문에 양성자를 포함한 태양풍 입자를 다시 우주로 되돌려보냅니다. 수성의 자기장의 세기는 1%정도로 약하기 때문에 양성자를 지표로 소용돌이치며 떨어뜨리게 됩니다. 연구책임자이자 조지아공과대학 화학 및 생물화학과 교수인 Thomas Orlando는 "이는 거대한 자성을 가진 토네이도와 비슷하고 시간이 지남에 따라 수성 대부분의 표면에 거대한 양성자 이동을 야기한다"고 설명했습니다.
양성자는 수성의 지표 10나노미터 깊이의 토양에 침투합니다. 이윽고 광물 안에서 수산기(-OH)를 형성하게 됩니다. 지표에 극심한 열이 가해지면 이 분자들은 방출되며 충돌하며 물 분자와 수소가 생성됩니다. 연구에서 제시한 모델에 따르면 이 분자들은 수성을 표류하며 태양에 의해 분해되거나 표면 위로 멀리 떠오르거나 혹은 수성의 극지방에 내려앉게 됩니다. 수성에는 대기도 없고 열을 전도할 공기도 존재하지 않기 때문에 영구적으로 햇빛이 들지 않는 크레이터에 내려앉은 물 분자는 -200℃의 온도에서 극지방 빙하의 일부가 됩니다.
이 메커니즘은 크레이터와 관련돼 있는 만큼 달에도 적용될 지 궁금해지는데요. 수성과 달은 대략 크기가 비슷하고 대기를 가지고 있지 않으며 태양빛이 전혀 들지 않는 극지방의 분화구에 얼음 퇴적물을 가지고 있기 때문입니다. 하지만 연구진은 수성에서의 메커니즘이 달에 적용될 수는 없을 것이라고 말하는데요.
조지아공과대학 화학 및 생물화학 분야의 연구원인 Brant Jones은 "첫째로 화학 작용을 크게 활성화시킬 수 있는 충분한 열이 없다"고 말합니다. 그러나 수성에는 3백만년에 걸쳐 이 과정을 통해 약 1013kg(10,000,000,000,000 kg or 11,023,110,000 tons)의 얼음이 만들어졌을 것으로 추정했습니다. Jones은 "수성에 많은 물은 소행성 충돌에 의해 전달된 것은 분명하다"며 "하지만 물을 가득 실은 소행성이 어디에서 그 물을 얻었는지도 의문"이라고 전했습니다. Orlando는 "행성이나 달의 충돌만으로도 물을 만들 수 있기 때문에 혜성이나 소행성은 실제로 물을 운반할 필요가 없다"며 "수성과 달은 항상 작은 운석에 부딪히며 이러한 일이 항상 발생하고 있다"고 전했습니다. Orlando는 이번 연구에서 밝힌 화학 과정을 이용해 미래의 달 탐사 미션에서 물을 생산하는 걸 돕는 연구를 진행 중입니다.
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