화성 내부 구조에 대한 연구
과학자들은 이제 화성의 내부 암석 구조를 설명할 수 있는 몇 가지 확실한 숫자를 가지고 있다고 말합니다.
이 데이터는 2019년 초부터 화성에서 지진을 감지해 온 인사이트(InSight) 우주선으로부터 온 것입니다.
NASA가 이끄는 이 임무는 화성의 지각 평균 두께가 24km에서 72km 사이라는 것을 밝혀냈는데, 이는 기대했던 것보다 다소 얇습니다.
하지만 주요 발견은 행성의 핵의 크기입니다. 핵의 반지름은 1,830km로 이전 추정치의 상한선에 위치합니다.
이것은 과학이 지구 이외의 행성의 내부 층을 직접적으로 매핑한 최초의 사례입니다. 달에 대해서도 이루어졌지만, 화성(총 반지름: 3,390km)은 훨씬 더 큰 규모입니다.
이 정보를 갖추면 연구자들은 다양한 행성 체의 형성과 진화를 더 잘 이해할 수 있습니다.
인사이트(InSight)는 지진학자들이 지구의 내부 층을 연구하는 방식과 동일한 방법으로 성과를 달성했습니다. 이는 지진으로부터 발생하는 신호를 추적함으로써 이루어집니다.
이러한 지진 사건들은 에너지의 파동을 방출합니다. 이 파동의 경로와 속도의 변화는 파동이 통과하는 암석 재료의 특성을 밝혀줍니다.
NASA의 탐사선에 의해 배치된 지진계 시스템은 수백 번의 지진을 관측했으며, 지난 2년 동안에는 화성 내부를 "영상화"하는 데 적합한 속성을 가진 소수의 지진을 관측했습니다.
프랑스와 영국에서 이끄는 이 기기 팀은 인사이트 탐사선이 위치한 지점 바로 아래 화성의 강경한 외부 부분, 즉 지각이 20km 또는 39km 두께로 존재한다고 결정했습니다(정확한 하부 층 구조에 따라 다름). 이것을 화성 나머지 부분의 알려진 표면 지질학으로 확장하면 평균 두께는 24km에서 72km 사이라고 추정됩니다. 반면, 지구의 평균 지각 두께는 15-20km입니다. 히말라야와 같은 대륙 지역에서만 70km에 이를 수 있습니다.
하지만 정말 흥미로운 숫자는 핵에 대한 것입니다. "화성 지진"으로부터 반사되는 신호는 핵이 표면에서 거의 절반 아래인 약 1,560km 깊이에서 시작되며 액체 상태에 있다는 것을 나타냅니다. 대부분의 이전 추정치는 더 작은 핵을 예측했습니다.
이 임무 팀은 새로운 직접 관측으로부터 두 가지 흥미로운 결과가 도출된다고 말합니다.
첫 번째 결과는 화성의 알려진 질량과 관성 모멘트가 핵이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 밀도가 낮다는 것을 의미하며, 그 구성을 지배하는 철-니켈 합금이 황과 같은 가벼운 원소로 강하게 풍부해져야 한다는 것입니다.
두 번째 결과는 핵과 지각 사이의 층인 맨틀과 관련이 있습니다. 이제 맨틀은 이전에 가정했던 것보다 얇아졌으며, 지구와 달리 주요한 구분 없이 단순한 암석층으로 보입니다.
또한 화성의 알려진 크기를 바탕으로 볼 때, 이 맨틀이 광물 브리지마나이트가 안정되는 압력에 도달할 가능성은 매우 낮습니다.
지구에서, 이 강한 광물은 핵을 감싸며 대류를 늦추고 열 손실을 줄입니다. 초기 화성에서는 이 광물의 부재로 인해 빠른 냉각이 일어났을 것입니다.
이것은 처음에는 금속 핵에서 강한 대류를 허용하고 전 세계적인 자기장을 만드는 역동적인 효과를 발생시켰을 것입니다. 하지만 이제 이것은 물론 꺼져 있습니다. 오늘날 화성에서는 전 세계적인 자기장을 감지할 수 없습니다.
만약 그것이 존재한다면, 그것은 우주로부터 지속적으로 내리는 유해한 복사선으로부터 그 표면을 보호하는 일부 차폐를 제공할 것입니다. 이는 세계를 매우 적대적으로 만듭니다.
런던 임페리얼 칼리지의 톰 파이크 교수는 인사이트의 지진계 시스템에 대한 주요 조사자 중 한 명입니다. 그는 BBC 뉴스에 "우리는 처음으로 지진학을 사용하여 다른 행성 내부를 살펴볼 수 있었고, 화성에서 본 것은 예상했던 것보다 크고 가벼운 핵을 가지고 있다는 것입니다. 이것은 행성이 지질 시간에 걸쳐 어떻게 진화했는지에 대해 많은 것을 알려줍니다."라고 말했습니다.
케임브리지 대학의 산네 코타르 박사는 임무 팀의 일원이 아닙니다. 그녀는 인사이트의 결과를 대단한 업적으로 묘사했으며, 화성에서 발생하는 매우 작은 지진을 연구하는 것이 얼마나 어려운지를 강조했습니다. 화성의 지진은 진도 4를 넘지 않으며, 이는 사람들이 사건의 진앙지에서 몇 킬로미터 이내에 있지 않는 한 눈치채지 못할 것입니다.
코타르 박사는 "화성 지진은 매우, 매우 약합니다."라고 말했습니다. "지구에서 지진학을 하는 것보다 훨씬 도전적입니다. 임무 과학자들은 또한 인사이트 착륙선에 의해 대표되는 단 하나의 지진계로 작업하는 방법을 개발해야 했습니다. 그래서 이 데이터가 나오고, 그들이 그 데이터로 행성 내부를 실제로 볼 수 있다는 것은 정말 인상적입니다."
화성의 내부 구조에 대한 자세한 내용은 Science 잡지의 일련의 학술 논문에 보고되었습니다. 코타르 박사는 이들과 함께 자신의 관점을 발표했습니다.
화성의 내부 구조
화성의 내부 구조는 크게 세 부분으로 나눌 수 있습니다: 지각, 맨틀, 그리고 핵.
지각 (Crust): 화성의 지각은 지구에 비해 얇은 편입니다. 최근의 연구에 따르면, 그 두께는 대략 24km에서 72km 사이로 추정됩니다. 화성의 지각은 다양한 두께를 가지고 있으며, 지표면의 많은 화산 및 충돌구들로 이루어져 있습니다.
맨틀 (Mantle): 맨틀은 지각 아래에 위치하며, 화성의 부피와 질량의 대부분을 차지합니다. 이 맨틀은 주로 규산염 미네랄로 이루어져 있으며, 구성과 구조가 복잡합니다. 맨틀은 화성의 내부 열과 지질 활동을 주도하는 중요한 역할을 합니다.
핵 (Core): 핵은 화성의 가장 안쪽 부분으로, 주로 철과 니켈로 구성되어 있습니다. 최근 연구에 따르면, 핵의 반지름은 약 1,830km로 추정되며, 이는 이전 추정치의 상한선에 해당합니다. 핵은 고체와 액체 상태의 물질로 이루어져 있을 수 있으며, 화성의 자기장 생성에 중요한 역할을 할 것으로 추정됩니다.
화성의 내부 구조를 이해하는 것은 행성의 형성과 진화, 그리고 지질 활동을 이해하는 데 중요합니다. 최근 NASA의 인사이트(InSight) 임무는 화성의 지진 활동을 관측함으로써 이러한 내부 구조에 대한 중요한 정보를 제공하고 있습니다.
인사이트(InSight) 로버
인사이트(InSight) 로버는 NASA가 Mars Exploration Program의 일환으로 발사한 화성 탐사선입니다. "InSight"는 "Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport"의 약자로, 화성의 내부 구조를 조사하는 데 초점을 맞춘 임무입니다.
인사이트는 2018년 5월 5일에 발사되어 같은 해 11월 26일에 화성에 착륙했습니다. 이 로버의 주요 임무는 화성의 내부를 조사하여 지진 활동(화성 지진), 행성의 내부 구성, 열 흐름 등을 연구하는 것입니다. 인사이트는 화성의 지각, 맨틀, 그리고 핵에 대한 중요한 정보를 수집하며, 이 정보는 화성뿐만 아니라 다른 암석 행성의 진화에 대한 이해를 깊게 해줍니다.
이 로버는 지진계(SEIS), 열 흐름 프로브(HP^3), 그리고 행성 내부의 회전과 진동을 측정하는 도플러 효과 실험 장치(RISE)를 포함한 다양한 과학 기기를 탑재하고 있습니다. 인사이트의 과학 장비는 화성의 내부 구조에 대한 첫 번째 직접적인 측정을 가능하게 했으며, 이는 행성 과학에 중요한 기여를 하고 있습니다.