수성에 16km 두께 다이아몬드 층 있다 [우주로 간다]

태양에서 가장 가까운 행성 ‘수성’의 지표면 밑에 약 16km 두께의 다이아몬드 맨틀이 존재한다는 사실이 확인됐다고 스페이스닷컴이 24일(현지시간) 보도했다.

해당 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션’에 실렸다.

메신저호 자료를 사용해 제작된 수성의 다채로운 모습(왼쪽)과 수성의 외층을 벗겨내 약 16km 두께의 다이아몬드 층을 노출시킨 모습 (출처=Robert Lea/NASA/존스홉킨스대 응용물리학연구소/워싱턴 카네기 연구소)

수성은 다른 태양계 행성과 달리 어두운 표면 색상을 하고 있다. 이는 흑연 성분이 많기 때문으로 알려져 왔다. 과학자들은 과거 수성에 탄소가 풍부한 마그마 바다가 있었고, 이 바다가 표면으로 올라 오면서 흑연 성분이 가득한 어두운 지표면을 만들었을 것으로 추정했다.

이번에 벨기에 루벤가톨릭대학 연구팀은 미국 항공우주국(NASA) 수성탐사선 ‘메신저’(MESSENGER)호가 수집한 자료를 통해 수성 맨틀이 과거 의심했던 흑연 탄소 기반의 그래핀이 아니라 탄소의 다른 동소체인 다이아몬드로 구성되어 있다는 것을 발견했다.

NASA 메신저호가 수성을 처음으로 통과한 후 촬영한 고해상도 모자이크 이미지 (출처=NASA/존스홉킨스대 응용물리학연구소/워싱턴 카네기 연구소)

올리버 나무르 루벤가톨릭대 교수는 “수성의 맨틀·핵 경계의 압력에 대한 새로운 추정치와 수성이 탄소가 풍부한 행성이라는 점을 고려할 때, 맨틀과 핵 사이의 경계에서 형성될 수 있는 탄소 함유 광물은 흑연이 아닌 다이아몬드"라고 밝혔다.

연구팀은 수성 내부의 압력과 온도를 지구에서 재현하기 위해 대용량 프레스를 사용해 실험했다. 수성 맨틀과 유사한 합성 규산염에 7GPa(기가파스칼) 이상의 엄청난 양의 압력, 섭씨 2천177도의 높은 온도를 가했다.

이를 통해 연구진은 초기 수성 맨틀에 있는 광물들이 해당 조건에서 어떻게 변했는지 관찰한 후 컴퓨터 모델링을 사용해 다이아몬드 맨틀이 형성되는 과정에 대한 단서를 얻었다.

연구진은 "다이아몬드가 두 가지 과정을 거쳐 형성됐을 수 있다. 첫째는 마그마 바다가 결정화되는 것인데 이 과정은 핵과 맨틀 경계면에서 매우 얇은 다이아몬드 층만 형성했을 가능성이 크다”며, "둘째는 수성의 금속 핵이 결정화된 것"이라고 설명했다.

메신저호가 촬영한 수성 지표면의 모습 (출처=NASA/JHUAPL/CIW)

나무르 교수는 수성이 약 45억 년 전 형성될 당시 수성의 핵은 액체 상태였으며 시간이 지남에 따라 점진적으로 결정화되었다고 밝혔다. 또, "결정화 전의 액체 핵에는 약간의 탄소가 포함되어 있었으나 결정화되면서 탄소가 풍부해졌을 것"라고 설명했다. 또, "어느 시점에서 한계에 도달해 액체가 더 이상 탄소를 용해할 수 없게 되고 이 때 다이아몬드가 형성된다"고 덧붙였다.

핵이 결정화 되는 과정에서 다이아몬드 층이 위로 떠오르면서 핵과 맨틀의 경계에서 멈췄을 것으로 봤다. 이로 인해 초기에 약 1km 두께의 다이아몬드 층이 형성되었고, 시간이 지남에 따라 계속 성장했을 것이라고 연구진은 설명했다.