달 자기장 수수께끼가 풀렸다

편집국 기자 / 기사승인 : 2022-01-24 10:56:15
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- 약 42억 5천만 년 전, 젊고 밝은 달의 표면 서서히 식으면서 다양한 광물 성분도 냉각
- 냉각된 광물, 달의 맨틀을 통해 크고 점성이 있는 덩어리로 코어 경계까지 가라앉아
- 가라앉는 맨틀 덩어리의 국부적인 차가운 분출은 터보처럼 작용
- 일시적으로 "불가능한" 높은 자기장 강도를 일으켰다.

달 자기장의 수수께끼가 풀린다?

지각 덩어리가 가라앉으면 달의 자기 발전기가 증가할 수 있다.

달의 역설:

사실 어린 달은 너무 작고 차가워서 강한 자기장을 생성하기에는 너무 작고 차가웠다.
그럼에도 불구하고 달의 자기장은 지구의 자기장보다 훨씬 강력했다. 미국 연구자들이 최근 이것이 어떻게 가능한지 알아냈다. 이에 따르면 달의 초기에는 거대하고 굳은 지각 부분이 여러 차례 달 내부로 가라앉았다. 그곳에서 굳은 지각들이 달 핵에서 대류 전류를 촉발시켰고, 이는 잠시 자기 발전기 역할을 했다. 

▲ 초기에 달의 핵은 실제로 너무 작아서 강한 자기장을 생성하지 못했다. 그 당시 달은 왜 그렇게 강하게 자화됐을까?

© dottedhippo / 게티 이미지


지구는 고대부터 강한 자기장으로부터 보호되어 왔다.
그 모터는 지구 핵인 지오다이나모에 있는 액체와 고체 철의 전자기 상호 작용이다.
달은 어떨까? 오늘날에는 더 이상 자기장이 없지만 아폴로 달 탐사선의 암석 샘플은 이것이 약 35억 년 전까지만 해도 지금과 달랐음을 보여준다. 샘플은 40에서 120 마이크로테슬라의 달 자기장 강도의 표시를 나타낸다. 따라서 오늘날 지구보다 훨씬 더 강한 자기장을 제공했다.

어린 달이 그 당시 지구와 자기장을 공유했기 때문에 우리 행성이 가혹한 우주선으로부터 추가적인 보호를 받았다는 증거도 있다.

불가능할 정도로 강력하고 놀라울 정도로 가변적

어떻게 그럴 수 있을까?
실제로 달은 높은 자기 강도를 생성하기에는 너무 작다. 현재 이론에 따르면, 뜨거운 초기에도 달의 핵은 충분히 강한 대류를 일으킬 수 없었을 것이다. 브라운 대학의 알렉산더 에반스(Alexander Evans)와 스탠포드 대학의 소냐 티쿠(Sonia Tikoo)는 "달 암석에서 파생된 자기 강도는 가능한 것보다 수천 배 더 많은 에너지를 필요로 할 것"이라고 설명했다.

이상한 점은 또 있다. Apollo 위성 샘플은 극도의 자화 범위를 보여준다.
이는 달 초기 암석의 경우에도 마찬가지다. 이 조각 중 일부는 강한 달 자기장을 나타내는 반면 다른 조각은 전혀 자화되지 않았다.

이것은 연구원들에게 다음과 같은 아이디어를 주었다.
"지속된 강한 달 자기장에 대한 에너지가 어디에서 왔는지 생각하는 것보다 적어도 짧은 기간의 높은 자기장 강도를 설명할 수 있는 메커니즘이 있을 수 있다"고 Evans는 말했다.

얼어붙은 달로의 시간 여행

Evans와 Tikoo는 모델 시뮬레이션을 사용해 이러한 메커니즘을 더 자세히 조사했다.
약 42억 5천만 년 전에 아직 작열하는 젊고 밝은 달의 표면이 서서히 식으면서 다양한 광물 성분들이 차례로 냉각됐다. 더 밀도가 높고 무거운 광물은 내부로 가라앉고 가벼운 광물은 굳는 껍질을 형성했다.

그런 다음 달 자기장에 결정적일 수 있는 단계를 따랐다. 맨틀의 밑에 있는 층보다 밀도가 높은 달 지각 아래에서 수집된 티타늄 함유 광물이다. 이 광물들도 냉각되면서 달의 맨틀을 통해 크고 점성이 있는 덩어리로 코어 경계까지 가라앉았다. Evans와 Tikoo는 "우리 모델에 따르면 티타늄이 풍부한 덩어리가 60km 크기로 형성 및 가라앉았을 수 있다“고 보고했다.

대류 터보로서의 차가운 덩어리

달의 핵에 도착한 이 1,100~1,300도의 뜨거운 덩어리는 최대 1천 도 더 뜨거운 핵에 찬 소나기와 같은 역할을 했다. Evans는 "뜨거운 스토브 위에 찬물 한 방울을 떨어뜨리는 것과 같다고 생각할 수 있다"고 설명했다. 강한 온도 차이는 이 지점에서 더 많은 열이 코어에서 맨틀 암석의 차가운 덩어리로 전달되었음을 의미한다. "이것은 차례로 코어의 대류를 증가시켰다"고 Evans는 말했다.

코어 전류가 강할수록 생성되는 자기장이 더 강해진다.
이 추가 드라이브는 맨틀 암석의 더 차가운 덩어리가 주변 온도를 흡수할 때까지 지속된다. 원칙적으로, 가라앉은 맨틀 덩어리는 달 중심에 있는 자석 발전기의 스퍼터링(sputtering; 타격을 주어 튀어 나오게 하는 것) 모터처럼 작동했다.

이 모델에 따르면 티타늄이 풍부한 덩어리 100개는 수백 년 동안 달 자기장을 50마이크로테슬라 이상으로 끌어올리기에 충분했을 것이다. 약 35억 년 전 달의 내부가 훨씬 더 냉각되었을 때만 덩어리가 가라앉는 것을 멈췄고, 이로써 달의 자기 발전기가 점차 약해졌다.

관찰과 잘 일치

"따라서 우리 모델은 아폴로 위성 샘플의 강도와 큰 변동성을 모두 설명할 수 있다. 이전에는 다른 모델이 할 수 없었던 것이다"고 Evans는 말한다. "동시에 이것은 우리가 달의 내부에 대해 알고 있는 것과도 잘 일치한다."

실제로 측정 데이터에 따르면 최대 530입방 킬로미터의 티타늄이 풍부한 맨틀 암석이 달 핵 주위에 약 200km 두께의 층을 형성한다고 제안했다. 초기 맨틀 광물 덩어리의 유물일 수 있다.

이 시나리오가 확인되면 달 자기장의 역설이 해결될 것이다.
달의 핵은 실제로 너무 작아서 강한 대류 전류를 생성하고 따라서 높은 자기장 강도를 생성하기 때문이다. 그러나 가라앉는 맨틀 덩어리의 국부적인 차가운 분출은 항상 터보처럼 작용했으며 일시적으로 "불가능한" 높은 자기장 강도를 일으켰다.
(Nature Astronomy, 2022; doi: 10.1038/s41550-021-01574-y)
출처: Brown University[더사이언스플러스 the SCIENCE plus]

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