수성에 다이아몬드 층이 있다?
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2024-07-24 20:18:49
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- 수성: 다른 모든 행성보다 작고, 밀도 높으며, 오래됐으며, 불균형적으로 큰 핵 소유
- 비정상적으로 빠르게 회전 현재도 줄어들고 있어. 지각과 내부에 흑연형태 탄소 1-3%
- 수성의 핵-맨틀 경계에서 가능한 최고 압력은 7GPa(기가파스칼)
- 최대 18km 두께의 순수한 다이아몬드층이 있을 수 있다.
우리 태양계의 가장 안쪽 행성은 정말 특이하다. 수성은 다른 모든 행성보다 작고, 밀도가 높으며, 오래되었으며, 불균형적으로 큰 핵을 가지고 있다. 또한 비정상적으로 빠르게 회전하며 오늘날에도 줄어들고 있는 것으로 보인다. 그 구성도 특별하다. 수성의 지각과 내부에는 흑연 형태의 탄소가 1~3% 포함되어 있다. 지구의 경우 탄소는 100ppm에 불과하다. 탄소는 수성의 지각을 어둡게 만든다.
흑연과 마그마 바다
수성 내부에서는 흑연이 진짜 보물, 즉 순수한 다이아몬드로 변할 수도 있었다. 적어도 그것은 베이징 고압 연구 기술 센터의 Yongjiang Xu가 이끄는 팀이 가정한 것이다. 그들은 고압 실험과 모델링을 사용하여 높은 흑연 함량이 머큐리 내부 개발에 어떤 영향을 미쳤는지 재구성했다.
지구와 마찬가지로 수성은 초기에는 마그마 바다로 덮여 있었다. Xu와 그의 팀은 “흑연은 마그마 해빙보다 밀도가 낮기 때문에 표면에 축적되어 행성의 원시 지각 형성에 기여했다”고 설명했다. 그러나 흑연은 행성의 초기 혼합 내부에도 존재했으며 층이 형성되면서 핵과 맨틀 위에 분포되었다.
고압에서의 수은 혼합물
이것이 Xu와 그의 팀이 등장하는 곳이다. 그들은 젊은 수성의 핵-맨틀 경계에 있는 탄소가 어떤 상태를 가정할지, 즉 탄소가 흑연으로 남아 있는지 아니면 탄소가 다이아몬드의 조밀한 결정 형태를 형성할 만큼 충분한 압력인지 조사했다. 압박 붕대? “우리 계산에 따르면 수성의 핵-맨틀 경계에서 가능한 최고 압력은 7기가파스칼이다”고 연구원들은 설명했다.
고압 테스트에서 그들은 초기 수은 물질의 다양한 조리법이 이 압력과 1,700도에서 2,000도 사이 온도에서 어떻게 작동하는지 테스트했다. 그러나 이전 연구와는 달리 Xu와 그의 동료들은 탄소 함유 규산염 혼합물에 한편으로는 또 다른 성분인 황을 코어에 추가했다. 최근 측정에 따르면 이 원소는 수성에도 풍부하게 존재한다.
유황이 핵심이다
황의 존재는 마그마 바다의 규산염 용융물이 굳기 시작하는 온도를 낮춘다. Xu와 그의 동료들은 "1% 중량의 유황을 사용하면 액상선 온도가 59켈빈(Kelvin)만큼 떨어지고 더 많은 유황을 첨가할수록 온도는 더 떨어지게 된다. 비록 조금 더 느리기는 하지만"이라고 Xu와 그의 동료들은 설명했다. 고압과 환원 조건에서는 흑연-다이아몬드 균형이 다이아몬드에 유리하게 이동하는 것으로 고압 테스트 결과 밝혀졌다.
약 11%의 황 함량으로 인해 마그마 바다 아래쪽 가장자리의 높은 압력과 온도는 탄소의 작은 부분이 다이아몬드로 결정화되기에 충분했다. “그러나 마그마 해양 결정화의 초기 단계에서 다이아몬드 생산의 비율은 작을 것이다. 우리의 계산에 따르면 이것은 핵-맨틀 경계 위에 0.1~200미터 두께의 다이아몬드 층을 생성했을 것이다”고 연구원들은 보고했다.
수성 코어의 다이아몬드 결정
하지만 그게 전부는 아니다. Xu와 그의 팀이 추가 테스트와 모델 시뮬레이션을 통해 결정한 대로 수성의 핵에는 약 3%의 탄소가 포함되어 있을 가능성이 높기 때문에 더 많은 다이아몬드가 수성의 핵에서 나온다. “수성의 견고한 내부 핵이 형성되면서 다이아몬드가 녹아서 결정화되었다”고 그들은 설명했다. 왜냐하면 이 다이아몬드 결정은 그보다 가벼웠기 때문이다.
나머지 용융 금속은 코어 클래딩 경계까지 상승했다.
다이아몬드는 시간이 지남에 따라 핵-맨틀 경계 아래에서 퇴적되기도 했다. 결과적으로 과학자들이 계산한 대로 이 다이아몬드층의 두께는 오늘날 약 15~18km에 달할 수 있다. 그러나 이 보석 같은 보물은 수성 표면 아래 600km 이상 깊이에 있으므로 절대 접근이 불가능하다. 그러나 이 결정층은 수성의 열 균형에 중요할 수 있다. 다이아몬드는 특히 좋은 열 전도체이기 때문에 대부분의 금속이나 암석보다 훨씬 더 좋다.
Xu와 그의 팀은 "따라서 향후 연구에서는 핵-맨틀 경계에 있는 킬로미터 두께의 다이아몬드 층의 존재가 행성과 규산염 층의 열적 진화에 어떻게 영향을 미치는지 탐구해야 한다"고 썼다.
BepiColombo가 다이아몬드를 찾을 수 있을까요?
하지만 수성 내부에 실제로 다이아몬드 층이 있는지 어떻게 확인할 수 있나요? 연구자들이 설명하듯이, 이 원석 층은 너무 얇아서 외부나 간접적인 측정을 통해 감지할 수 없다. 그들의 의견으로는 이러한 다이아몬드 중 일부가 수성 초기에 역류, 화산 활동 또는 큰 충격에 의해 표면으로 운반되었다고 생각할 수 있다. 이는 화산의 마그마가 솟아오르면서 지상의 다이아몬드와 유사하다.
그러한 다이아몬드 발견의 가능성은 소위 수성의 "마그네슘 함량이 높은 지역"에서 특히 높을 것이다. 이 지역에서 MESSENGER 우주탐사선의 측정 결과 수성 지각에서 비정상적으로 높은 마그네슘 함량이 감지되었다. 이는 물질이 더 깊은 곳에서 표면으로 올라왔음을 나타내며, 다이아몬드도 함께 있을 가능성이 있다. Xu와 그의 동료들은 “BepiColombo 우주선은 마그네슘 함량이 높은 이 지역을 더 자세히 연구함으로써 이를 명확히 할 수 있다”고 말했다. ESA의 수성 탐사선은 2025년에 행성 궤도에 진입할 예정이다.
(nature communicatons, 2024; doi: 10.1038/s41467-024-49305-x)
출처: nature communications
- 수성: 다른 모든 행성보다 작고, 밀도 높으며, 오래됐으며, 불균형적으로 큰 핵 소유
- 비정상적으로 빠르게 회전 현재도 줄어들고 있어. 지각과 내부에 흑연형태 탄소 1-3%
- 수성의 핵-맨틀 경계에서 가능한 최고 압력은 7GPa(기가파스칼)
- 최대 18km 두께의 순수한 다이아몬드층이 있을 수 있다.
수성에 다이아몬드층이 있다?
태양계에서 가장 안쪽 행성의 핵-맨틀 경계는 순수한 다이아몬드로 만들어졌을 것이다.
수성 행성 내부 깊은 곳에는 고압 실험과 모델에서 알 수 있듯이 최대 18km 두께의 순수한 다이아몬드층이 있을 수 있다. 이 보석층은 행성의 핵과 맨틀 사이의 경계에 위치하며 시간이 지남에 따라 수성에 풍부한 흑연으로 형성되었다. 그러나 가장 컴팩트한 형태의 탄소 변환은 수성 내부의 매우 특별한 추가 성분으로 인해 가능했다.
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| ▲ 수성 깊은 곳에 거대한 다이아몬드 층이 숨겨져 있을지도 모른다. © NASA/JHUAPL/카네기 연구소 |
우리 태양계의 가장 안쪽 행성은 정말 특이하다. 수성은 다른 모든 행성보다 작고, 밀도가 높으며, 오래되었으며, 불균형적으로 큰 핵을 가지고 있다. 또한 비정상적으로 빠르게 회전하며 오늘날에도 줄어들고 있는 것으로 보인다. 그 구성도 특별하다. 수성의 지각과 내부에는 흑연 형태의 탄소가 1~3% 포함되어 있다. 지구의 경우 탄소는 100ppm에 불과하다. 탄소는 수성의 지각을 어둡게 만든다.
흑연과 마그마 바다
수성 내부에서는 흑연이 진짜 보물, 즉 순수한 다이아몬드로 변할 수도 있었다. 적어도 그것은 베이징 고압 연구 기술 센터의 Yongjiang Xu가 이끄는 팀이 가정한 것이다. 그들은 고압 실험과 모델링을 사용하여 높은 흑연 함량이 머큐리 내부 개발에 어떤 영향을 미쳤는지 재구성했다.
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| ▲ 이 수성 분화구에 있는 것과 같은 어두운 점은 흑연 함량이 증가하여 발생해한다.© NASA/ JHUAPL/ Carnegie Institution |
지구와 마찬가지로 수성은 초기에는 마그마 바다로 덮여 있었다. Xu와 그의 팀은 “흑연은 마그마 해빙보다 밀도가 낮기 때문에 표면에 축적되어 행성의 원시 지각 형성에 기여했다”고 설명했다. 그러나 흑연은 행성의 초기 혼합 내부에도 존재했으며 층이 형성되면서 핵과 맨틀 위에 분포되었다.
고압에서의 수은 혼합물
이것이 Xu와 그의 팀이 등장하는 곳이다. 그들은 젊은 수성의 핵-맨틀 경계에 있는 탄소가 어떤 상태를 가정할지, 즉 탄소가 흑연으로 남아 있는지 아니면 탄소가 다이아몬드의 조밀한 결정 형태를 형성할 만큼 충분한 압력인지 조사했다. 압박 붕대? “우리 계산에 따르면 수성의 핵-맨틀 경계에서 가능한 최고 압력은 7기가파스칼이다”고 연구원들은 설명했다.
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| ▲ 황 함량은 다이아몬드나 흑연이 형성되는 압력과 온도에 영향을 미친다. © Xu 외./Nature Communications, CC-by 4.0 |
고압 테스트에서 그들은 초기 수은 물질의 다양한 조리법이 이 압력과 1,700도에서 2,000도 사이 온도에서 어떻게 작동하는지 테스트했다. 그러나 이전 연구와는 달리 Xu와 그의 동료들은 탄소 함유 규산염 혼합물에 한편으로는 또 다른 성분인 황을 코어에 추가했다. 최근 측정에 따르면 이 원소는 수성에도 풍부하게 존재한다.
유황이 핵심이다
황의 존재는 마그마 바다의 규산염 용융물이 굳기 시작하는 온도를 낮춘다. Xu와 그의 동료들은 "1% 중량의 유황을 사용하면 액상선 온도가 59켈빈(Kelvin)만큼 떨어지고 더 많은 유황을 첨가할수록 온도는 더 떨어지게 된다. 비록 조금 더 느리기는 하지만"이라고 Xu와 그의 동료들은 설명했다. 고압과 환원 조건에서는 흑연-다이아몬드 균형이 다이아몬드에 유리하게 이동하는 것으로 고압 테스트 결과 밝혀졌다.
약 11%의 황 함량으로 인해 마그마 바다 아래쪽 가장자리의 높은 압력과 온도는 탄소의 작은 부분이 다이아몬드로 결정화되기에 충분했다. “그러나 마그마 해양 결정화의 초기 단계에서 다이아몬드 생산의 비율은 작을 것이다. 우리의 계산에 따르면 이것은 핵-맨틀 경계 위에 0.1~200미터 두께의 다이아몬드 층을 생성했을 것이다”고 연구원들은 보고했다.
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| ▲ 이것이 수성이 다이아몬드 층을 형성할 수 있었던 방법이다: A) 초기에는 마그마 바다 바닥의 흑연이 다이아몬드로 전환되었다. B) 수성의 고체 핵이 형성되었을 때, 탄소는 핵에서 다이아몬드로 결정화되었고, 그 후 핵-맨틀 경계까지 올라갔습니다. 연구자들은 후자의 가능성이 더 높다고 본다. © Xu 외./Nature Communications, CC-by 4.0 |
수성 코어의 다이아몬드 결정
하지만 그게 전부는 아니다. Xu와 그의 팀이 추가 테스트와 모델 시뮬레이션을 통해 결정한 대로 수성의 핵에는 약 3%의 탄소가 포함되어 있을 가능성이 높기 때문에 더 많은 다이아몬드가 수성의 핵에서 나온다. “수성의 견고한 내부 핵이 형성되면서 다이아몬드가 녹아서 결정화되었다”고 그들은 설명했다. 왜냐하면 이 다이아몬드 결정은 그보다 가벼웠기 때문이다.
나머지 용융 금속은 코어 클래딩 경계까지 상승했다.
다이아몬드는 시간이 지남에 따라 핵-맨틀 경계 아래에서 퇴적되기도 했다. 결과적으로 과학자들이 계산한 대로 이 다이아몬드층의 두께는 오늘날 약 15~18km에 달할 수 있다. 그러나 이 보석 같은 보물은 수성 표면 아래 600km 이상 깊이에 있으므로 절대 접근이 불가능하다. 그러나 이 결정층은 수성의 열 균형에 중요할 수 있다. 다이아몬드는 특히 좋은 열 전도체이기 때문에 대부분의 금속이나 암석보다 훨씬 더 좋다.
Xu와 그의 팀은 "따라서 향후 연구에서는 핵-맨틀 경계에 있는 킬로미터 두께의 다이아몬드 층의 존재가 행성과 규산염 층의 열적 진화에 어떻게 영향을 미치는지 탐구해야 한다"고 썼다.
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| ▲ 수성의 "마그네슘 함량이 높은 지역"에서는 다이아몬드가 깊은 곳에서 표면에 도달했을 수 있다. © NASA/ JHUAPL/ Carnegie Institution |
BepiColombo가 다이아몬드를 찾을 수 있을까요?
하지만 수성 내부에 실제로 다이아몬드 층이 있는지 어떻게 확인할 수 있나요? 연구자들이 설명하듯이, 이 원석 층은 너무 얇아서 외부나 간접적인 측정을 통해 감지할 수 없다. 그들의 의견으로는 이러한 다이아몬드 중 일부가 수성 초기에 역류, 화산 활동 또는 큰 충격에 의해 표면으로 운반되었다고 생각할 수 있다. 이는 화산의 마그마가 솟아오르면서 지상의 다이아몬드와 유사하다.
그러한 다이아몬드 발견의 가능성은 소위 수성의 "마그네슘 함량이 높은 지역"에서 특히 높을 것이다. 이 지역에서 MESSENGER 우주탐사선의 측정 결과 수성 지각에서 비정상적으로 높은 마그네슘 함량이 감지되었다. 이는 물질이 더 깊은 곳에서 표면으로 올라왔음을 나타내며, 다이아몬드도 함께 있을 가능성이 있다. Xu와 그의 동료들은 “BepiColombo 우주선은 마그네슘 함량이 높은 이 지역을 더 자세히 연구함으로써 이를 명확히 할 수 있다”고 말했다. ESA의 수성 탐사선은 2025년에 행성 궤도에 진입할 예정이다.
(nature communicatons, 2024; doi: 10.1038/s41467-024-49305-x)
출처: nature communications
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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