중심부가 비정상적으로 커지고 표면에 이상한 어두운 침전물과 가파른 수축 현상이 나타난다.
대기가 없어 낮에는 400도 이상의 열이 있고 밤에는 얼음에서 180도까지 차가워진다.
태양풍과 열은 함께 표토(Regolith)에서 화학 반응을 가능케 해 결합 하이드록실기(-OH)가 물 분자를 형성한다. 이들은 지구의 극지 분화구로 흘러 들어가 얼음처럼 얼어붙는다.

수성의 얼음은 어디에서 오는가?
열과 복사는 얼음 형성에 유리할 수 있다

역설적인 형성과정:
행성 수성에 있는 열이 교묘하게도 극지에 있는 얼음의 일부를 만들었을 수 있다.
태양풍과 열은 함께 표토(Regolith)에서 화학 반응을 가능케 해 결합 하이드록실기(-OH)가 물 분자를 형성한다. 이들은 지구의 극지 분화구로 흘러 들어가 얼음처럼 얼어붙는다고 연구원들은 보고했다.

▲ 수성은 태양과 가장 가까운 행성이지만 물 얼음도 있다. 그러나 얼음은 어디에서 왔을까? ​© NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington

수성은 극한의 행성이며 여러 면에서 수수께끼에 쌓여있다.
원래보다 빠르게 회전하기 때문에 중심부가 비정상적으로 커지고 표면에 이상한 어두운 침전물과 가파른 수축 현상이 나타난다. 대기가 없기 때문에 낮에는 400도 이상의 열이 있고 밤에는 얼음에서 180도까지 차가워진다.

수성 극지에 물 얼음(수빙)

또 다른 이상한 점이 있다.
대기가 부족하고 낮에는 열이 많음에도 불구하고 수성에는 얼음이 있다.
NASA 우주선 메신저(MESSENGER)가 2012년에 밝힌 바와 같이, 행성의 극지방에는 여러 분화구에 얼음층이 있으며, 그중 일부는 유기 먼지 아래에 숨겨져 있다. 이 얼음 생성물은 태양빛이 들지 않은 곳으로 온도가 지속적으로 영하에 머물고 있다.

이 물 얼음은 어떻게 거기에 도착했을까?
태양계 초기의 유물인가? 아니면 오늘날에도 만들 수 있는 수성의 프로세스일까까?
지금까지 행성 연구자들은 이 수빙이 주로 혜성과 소행성의 영향으로 수성에 형성됐다고 가정했다.

표토에서 노출된 것?

애틀랜타의 조지아 공과 대학(Georgia Institute of Technology)의 브랜트 존스 (Brant Jones)와 동료들이 보고한 것처럼 또 다른 가능성이 있다. 수성의 수빙은 적어도 일부는 국부적일 수 있다. Jones는 “이 아이디어의 기본이 되는 화학 메커니즘은 1960년대 이후로 수십 번의 연구에서 관찰 됐다.”고 말했다. 그러나 이러한 반응은 실험실과 특수 표면에서만 발생했다.

이 재조합 흡수(RD)의 전제 조건은 미네랄의 금속 성분에 화학적으로 결합하는 하이드록실기 (-OH)의 존재다. 이러한 하이드록실 그룹은 이미 수성 표토에서 발견됐다. 충분한 에너지가 이제 이들 화합물에 공급된다면, 인접한 하이드록실 그룹 사이에 재배열이 일어날 수 있으며, 이 동안 금속 산화물 및 H2O 분자가 형성된다. 이론적으로 물과 어름은 이런 식으로 만들어질 수 있다.

▲ 수은의 북극 (수은)에 영구적 인 그림자가있는 물얼음 침전물 (노란색)과 분화구. © NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington/National Astronomy and Ionosphere Center, Arecibo Observatory

열은 반응을 하도록 한다.

“일반적으로 재조합 흡수를 통한 H2O 형성을 위한 활성화 에너지는 높다”고 Jones와 그의 동료들은 보고했다. 하이드록실 그룹으로부터 물이 형성되기 위해서는, 예를 들어 에너지가 열 형태로 공급되어야 한다. 달에서, 태양 광선으로부터의 에너지 입력은 이 반응을 더 크게 촉발시키기에 충분하지 않다.

존스와 그의 팀이 보고한 것처럼 수성에서 상황은 다르다.
첫째, 수성의 표면은 강한 태양풍에 부딪쳐서 하이드록실 그룹이 미네랄에 잘 부착되도록 한다. 다른 한편으로, 연구원들은 시뮬레이션을 사용해 결정한 것처럼, 수성의 낮동안 열은 재조합 흡수를 위한 에너지 장벽을 극복하기에 충분하다.

수십억 톤의 물 얼음

즉, 수성의 열과 강한 복사는 역설적으로 물얼음 형성을 촉진 할 수 있다.
H2O 분자는 처음에 행성의 낮이 되는 면에서 발생한다. 그들 중 다수는 방사선으로 인해 다시 붕괴되지만, 일부는 수성 극의 차가운 그림자 지역에서 끝나고 그곳에서 얼어붙어 분화구에 쌓인다. 존스와 그의 동료들은 “우리 모델에 따르면 재조합 흡수에 의해 수성의 날짜로 하루에 약 3*(10의 30제곱승)의 물 분자가 생성될 수 있다.

이 메커니즘은 지난 3백만 년 동안 수성에 약 11조 톤의 수빙을 퇴적했을 수 있다.
존스 동료 토마스 올랜도는 “이 과정은 수성의 모든 얼음의 10%까지 쉽게 책임을 질 수 있다.”고 말했다. 과학자들은 또한 태양계의 다른 천체에도 이 화학 반응으로 분자수가 생성될 수 있었으며 여전히 생성되고 있다고 추측한다.

Astrophysical Journal Letters, 2020; doi:
출처 : Georgia Institute of Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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