외계행성의 밤하늘, 화산이 밝히다
외계행성의 밤하늘, 화산이 밝히다
  • 함예솔
  • 승인 2021.04.13 17:15
  • 조회수 882
  • 댓글 0
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지금까지 과학자들은 태양계 밖의 행성에서 지체구조 활동의 증거를 발견하지 못했습니다. 지구에서 판 구조론적인 활동은 지구를 거주가능한 행성으로 만드는 데 중요한 영향을 미치는데요. 판구조론은 단순히 산을 만들고 지진의 발생에만 책임이 있는 것이 아닙니다. 판 구조론은 행성 내부 물질을 지표와 대기로 가져온 다음, 이를 다시 지각 아래로 운반하는 물질의 순환에 있어 중요한 역할을 담당합니다.

금성과 지구는 크기가 매우 비슷해 쌍둥이 행성이란 별명이 붙었다.
금성과 지구는 크기가 매우 비슷해 쌍둥이 행성이란 별명이 붙었다.

판 구조론적인 활동이 행성에서 얼마나 중요한 역할을 하는지 엿볼 수 있는 곳이 있는데요. 바로 금성입니다. 금성은 지구와 크기도 거의 비슷하고 아마도 상당히 비슷한 조건에서 형성됐을 겁니다. 하지만 금성에는 판 구조론적인 활동이 없는데 이 때문에 행성 내부의 열 방출이 늦어지게 됩니다. 그래서 금성의 지표는 물이 없고 건조하며, 열 방출이 이뤄지지 않은 금성의 맨틀 온도는 지각을 안정하게 있을 수 없게 만듭니다. 반면 지구에는 판구조적 활동 덕분에 지각판이 움직이고 물이 풍부하며 생명체가 살 수 있는 환경이 됐죠. 이렇게 행성의 진화에 있어 판 구조론적인 활동은 주요한 차이를 만든 요인이 됩니다. . 

 

그런데 베른대학교(University of Bern) 연구팀은 외계행성 LHS 3844b에서 행성 내부 물질이 한 반구에서 다른 반구 쪽으로 흐르는, 행성 내부의 흐름 패턴을 발견했습니다. 이는 수 많은 화산 폭발의 원인이 될 수 있다고 하는데요. 해당 연구는 ‘The Astrophysical’에 게재됐습니다.  

 

야누스의 얼굴을 가진 행성

외계 행성 LHS 3844b. 이 행성은 대기가 존재하지 않는다. 출처: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (IPAC)
외계 행성 LHS 3844b. 이 행성은 대기가 존재하지 않는다. 출처: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (IPAC)

지난 2019년 지구에서 약 45광년 떨어진 곳에서 스피처 우주 망원경은 외계행성 ‘LHS 3844b’을 관측했는데요. LHS 3844b의 반지름은 지구의 1.3배로 지구와 비슷한 크기로 태양보다 작고 온도가 낮은 M형 왜성(적색왜성)을 돌고 있었습니다. 최근의 연구 결과 ‘LHS 3844b’는 대기가 없을 것으로 추측되는데요. 심지어 이 행성은 공전주기와 자전 주기가 같아서 한쪽 면만 항성의 빛을 받고 습니다. 즉, 한쪽 면은 계속해서 낮이고, 다른 쪽 면은 영구히 밤인 것이죠. 행성을 지켜줄 대기가 없기 때문에 이 행성의 지표는 낮에 최고 800도까지 도달할 수 있다고 하는데요. 반면 영구히 밤인 쪽은 매우 춥기 때문에 영하 250도 이하로 떨어질 수 있다고 합니다. 참고로 항성의 빛을 받는 쪽의 온도가 매우 높아 많은 적외선을 뿜고 있었는데요. 덕분에 적외선 우주망원경인 스피처 망원경이 이 행성을 포착할 수 있었다고 합니다.  

 

이번 연구진을 이끈 베른대학교 Center for Space and Habitability (CSH)의 Tobias Meier는 “지질활동의 징후를 관찰하는 건 매우 어렵다”며 “왜냐하면 그것들은 보통 대기 아래 숨겨져 있기 때문”이라고 말합니다. 이어 “우리는 이 극심한 온도 대조가 행성 내부의 물질 흐름에 영향을 줄 수 있을 것이라고 생각했다”고 설명했습니다. 연구진은 그들의 이론을 시험하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 이용했는데요. 행성의 핵으로부터 나오는 열이나 방사성 원소의 붕괴와 같은 행성 내부의 열원과 물질 강도의 차이 등을 고려해 시뮬레이션을 수행했습니다. 시뮬레이션은 모항성에 의해 지표에 가해지는 지표의 큰 온도 차이를 포함해 진행했습니다.  

 

행성 내부 물질, 한 반구에서 다른 반구로 흐른다

 

Tobias Meier는 “대부분의 시뮬레이션에서는 행성의 한쪽에서 위쪽으로만 흐르고 다른 한쪽에서는 아래쪽으로만 흐른다는 걸 보여준다”며 “따라서 물질은 한쪽 반구에서 다른 쪽 반구로 흘러간다”고 설명합니다. 놀랍게도 방향이 항상 같은 것은 아니었습니다. 이번 연구의 공동저자인 Dan Bower는 “우리가 지구에서 익숙해진 것에 근거한다면, 항상 뜨거운, 햇빛을 받는 쪽의 물질이 더 가벼워 위로 흐르거나 반대로 그 반대 역시 같을 것이라고 예상할 수 있다”고 말합니다. 

외계행성 LHS 3844b의 활발한 내부 활동을 보여준다. 출처: Universität Bern / University of Bern, Illustration: Thibaut Roger
외계행성 LHS 3844b의 활발한 내부 활동을 보여준다. 출처: Universität Bern / University of Bern, Illustration: Thibaut Roger

하지만 연구팀의 일부 시뮬레이션에서는 정 반대의 흐름 방향이 나타났습니다. Bower는 “처음에, 직관에 반대되는 결과는 점도의 변화로 인해 발생한다”며 “차가운 물질은 더 단단하기 때문에 내부로 구부러지거나 깨지거나 내부로 섭입하지 않습니다. 하지만 따뜻한 물질은 점성이 낮기 때문에 고체 암석도 열을 가하면 더 잘 움직이게 되고 행성 내부로 쉽게 흐를 수 있다”고 설명합니다. 

 

어느 쪽이든 이러한 결과는 지구와 매우 다른 조건에서 행성 지표와 내부가 어떻게 물질을 교환할 수 있는지를 보여줍니다. 

 

화산 반구 

 

그런데 연구진에 따르면 이러한 물질적 흐름은 기괴한 결과를 초래할 수 있습니다. Bower는 “행성의 어느 쪽에서든 물질이 위로 흐르더라도 특정 면에서는 많은 양의 화산이 발생할 것으로 예상한다”고 지적했습니다. 그는 “지구에서 이와 유사하게 내부 물질이 물질이 용승(upwelling)하면서 하와이와 아이슬란드에서 화산활동을 일으킨다”고 말합니다. 그러므로 이 외계행성에서는 수 없이 많은 화산이 펼쳐져 있는 한 쪽 반구와, 화산이 거의 존재하지 않는 반구를 상상해볼 수 있다. 

외계행성 LHS 3844b의 내부 역학관계를 보여준다.  출처: Universität Bern / University of Bern, Illustration: Thibaut Roger
외계행성 LHS 3844b의 내부 역학관계를 보여준다. 출처: Universität Bern / University of Bern, Illustration: Thibaut Roger

Meier는 “우리의 시뮬레이션은 그러한 패턴이 어떻게 나타날 수 있는지 보여주지만, 검증하기 위해서는 보다 상세한 관측이 필요할 것”이라고 말합니다. 이어 “예를 들어 화산 분출이나 화산 가스 탐지를 높일 수 있는 표면온도의 고해상도 지도를 사용할 수 있을 것”이라고 전합니다. 


##참고자료##

 


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