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- 바깥쪽 액체 핵과 안쪽 고체 핵의 전류가 상호 작용해 지구 발전기 역할, 자기장 생성
- 화성은 다르다. 37억 년 전까지는 자기장이 있었지만, 그 이후로는 자기장이 사라졌다
- 오늘날에는 자화된 화성 암석만이 과거의 자기장을 증언
- 화성의 핵은 액체 상태로 남아 있었기 때문에 점점 줄어드는 "current engiine"을 대체할 만한 것이 없었다. 그 결과, 화성의 자기장은 계속 약해지다가 마침내 완전히 사라졌다.

화성 자기장의 미스터리가 풀렸을까?
화성은 고체 핵 없이 비대칭 자기장을 어떻게 만들었는가.

화성의 미스터리:
우리 이웃 행성인 화성은 견고한 내핵을 가지고 있지 않다. 따라서 자기 발전기에 필수적인 구성 요소가 부족하다. 그렇다면 어린 화성은 어떻게 자기장을 생성할 수 있을까? 행성 연구자들은 이제 이 미스터리를 풀었을지도 모른다. 그들의 모델은 또한 오늘날 화성 남반구에서만 자기장의 흔적을 발견할 수 있는 이유와 약 37억 년 전까지 화성의 자기장이 어떤 모습이었는지를 설명한다. 

▲ 화성은 초기에 비대칭적인 자기장을 가지고 있었다. 하지만 그것은 어떻게 만들어졌을까? © Ankit Barik/존스홉킨스 대학교

지구 자기장은 우리 지구를 보호하는 중요한 방패다. 해로운 우주 방사선과 태양 폭풍을 막아주고, 태양풍에 의해 지구 대기가 우주로 날아가는 것을 막아준다. 지구 쌍극자 자기장의 엔진은 지구 핵에 있다. 바깥쪽 액체 핵과 안쪽 고체 핵의 전류가 상호 작용하여 지구 발전기 역할을 하고 자기장을 생성한다.

화성은 다르다. 37억 년 전까지는 자기장이 있었지만, 그 이후로는 자기장이 사라지고 자기 발전기도 작동을 멈췄는데, 그 이유는 아직 불분명하다. 결과적으로 우리 이웃 행성은 대기와 물의 일부를 잃었다. 오늘날에는 자화된 화성 암석만이 과거의 자기장을 증언하고 있다.

화성의 자기장은 어떻게 생겨났을까?

의문스러운 점은 화성이 어떻게 일찍부터 자기장을 발달시킬 수 있었는가 하는 것이다. NASA의 MarsInSight 우주선이 2023년에 밝힌 바와 같이, 화성에는 자기 발전기의 중요한 구성 요소가 없기 때문이다. 지진 데이터에 따르면, 화성에는 단단한 내핵이 없다. 그 대신 화성의 핵은 완전히 액체이고, 크기가 비교적 작으며, 철-니켈 혼합물에는 지구의 핵보다 가벼운 원소가 더 많이 포함되어 있다.

텍사스 오스틴 대학의 치 얀(Chi Yan)과 그의 동료들은 "이것은 화성의 다이너모가 아직 활성화되어 있을 때조차도 화성의 내부 핵이 단단하지 않았다는 것을 시사한다"고 설명했다. 하지만 우리 이웃 행성은 어떻게 초기 자기장을 생성할 수 있을까? 그렇다면 고대 화성의 자기장은 왜 이렇게 비대칭적이었을까? 연구팀은 "화성 자기장의 가장 두드러진 특징 중 하나는 북반구와 남반구 사이에 고르지 않게 분포되어 있다는 점"이라고 설명했다.

측정 결과에 따르면 화성 북반구에는 자화된 암석이 거의 없다. 화산 지역과 대규모 충돌 분지에서는 자기적 특징도 나타나지 않는다. 도대체 왜 그럴까?

▲ 지구와 달리 화성에는 단단한 내핵이 없다. © NASA/JPL-Caltech/메릴랜드 대학교

슈퍼컴퓨터의 화성 코어

답을 찾기 위해 얀과 그녀의 팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 화성 내부에서 일어나는 일을 재현했다. 그들은 완전히 액체 상태의 철심에서 전류가 어떻게 자기장을 생성할 수 있는지 재구성했다. 이를 위해 그들은 슈퍼컴퓨터에서 핵심 부분의 온도 구배가 다른 모델을 포함한 다양한 버전의 모델을 실행했다.

결과:
내부 핵이 없어도 화성 모델에서는 자기장이 생성되었다. "그러나 흐름 역학은 다르다. 고체 코어가 없기 때문에 적도에 접선으로 하강하는 흐름이 없고 적도에 상승 구역도 없다. 이 두 가지는 모두 구형 쉘 다이너모의 특징이다"고 연구팀은 보고했다. 지속적으로 액체 상태인 화성 핵에서는 핵 전체를 관통하는 대류류가 형성될 수 있다. 얀과 그녀의 동료들이 발견했듯이, 이것들은 어린 화성에 행성 전체를 아우르는 자기장을 제공하기에 충분하다.

"반쪽" 화성 자기장에 대한 설명

하지만 놀라운 점은 시뮬레이션을 통해 화성의 자기장이 왜 그렇게 비대칭적인지도 밝혀졌다는 점이다. 이에 대한 결정적인 요인은 화성 맨틀의 열 전도도와 핵의 대류가 결합되어 이전에 의심되었던 차이다. 연구팀이 모델에서 핵-맨틀 경계의 열 교환에 약간의 지역적 변화만 주었을 때, 이는 자기장에도 영향을 미쳤다.

얀과 그의 동료들은 "자기장은 점점 반구형으로 변하고 화성의 남반구에 집중되고 있다"고 보고했다. 열 흐름의 교란이 심해질수록 화성 자기장의 반구 비대칭성은 더욱 강해졌다. 얀은 "흥미롭게도, 고정된 내부 코어 없이도 그런 반쪽 자기장을 생성하는 게 실제로 훨씬 더 쉽다"고 말했다.

연구팀에 따르면, 그들의 시뮬레이션은 화성의 자기장 퍼즐에 대한 해결책을 제공하고, 화성 인사이트 착륙선의 측정 데이터를 뒷받침한다. 볼티모어에 있는 존스 홉킨스 대학의 공동 저자인 사빈 스탠리는 "이전에는 이 메커니즘이 화성의 자기장을 설명할 수 있다는 걸 전혀 몰랐다"고 말했다. "InSight가 확인한 핵심 구조를 기반으로 이처럼 반쪽 자기장을 생성할 수 있었다는 점이 더욱 흥미롭다.”

원시 지구에도 비슷한 발전기가 있었을까?

새로운 연구 결과는 지구의 지구 자기력에 대한 의문을 해소할 수도 있다. 2020년에 지질학자들은 지르콘 결정의 내포물을 이용하여 42억 년 전에 지구에 강한 자기장이 있었다는 것을 발견했다. 이는 지구 내핵이 결정화되고 응고되기 훨씬 전이었다. 따라서 이 원시 자기장은 완전히 액체인 핵에 의해 생성되었을 것이다. 해류가 약해지자, 단단한 내핵을 기반으로 한 현대 지구자력발전기가 이 임무를 대신하게 되었다.

하지만 화성에서는 그런 일이 일어나지 않았다. 화성의 핵은 액체 상태로 남아 있었기 때문에 점점 줄어드는 "current engiine"을 대체할 만한 것이 없었다. 그 결과, 화성의 자기장은 계속 약해지다가 마침내 완전히 사라졌다.
(Geophysical Research Letters, 2025; doi: 10.1029/2024GL113926)
출처: University of Texas at Austin

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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