수성의 핵심 미스터리:초기 태양계 충돌 이론

혼잡한 초기 태양계에서는 젊은 행성들이 자주 충돌하고 서로 모양이 바뀌었습니다. 그러나 머큐리는 눈에 띄었습니다. 그것은 비정상적으로 태양 가까이에서 형성되었습니다. 수성의 하루는 그 해보다 길다. 대기가 부족하고 태양에 가깝지만 금성만큼 뜨겁지는 않습니다. 하지만 수성의 가장 이상한 점은 그 핵심입니다. 수은은 존재해서는 안 됩니다. 적어도 이렇지는 않아야 합니다.

수성은 아주 작으며 달보다 거의 크지 않습니다. 금속 핵은 행성 질량의 70%를 차지하며, 이는 지구의 32%와 화성의 25%를 훨씬 초과합니다. 코어가 실제로 이렇게 형성되었을 가능성은 거의 없습니다. 대신, 연구자들은 수성이 더 큰 행성처럼 형성되었으나 질량이 일부 감소했음이 틀림없다고 의심합니다.

수년 동안 가장 좋은 추측은 엄청난 충격이 수성의 외층 대부분을 벗겨냈다는 것이었습니다. 그러나 새로운 연구에 따르면 그 답은 더 미묘하고 가능성이 더 높은 유형의 충돌, 즉 행성 형제 간의 우주 측면 스와이프에 있을 수 있다고 합니다.

눈에 보이는 미스터리

소위 "수은 문제"는 짜증나는 문제입니다. 1960년대에 지상 기반 레이더 관측이 지구에 새로운 빛을 비추기 시작했습니다. 일부 관측에서는 비정상적으로 큰 핵이 있다고 제안했지만 NASA의 MESSENGER가 나오기 전까지는 그렇지 않았습니다. 과학자들이 이를 정확하게 측정할 수 있다는 임무(2010~2015).

MESSENGER는 수성의 화학 성분, 지질학, 자기장을 연구했습니다. MESSENGER는 수성의 핵심을 직접적으로 "본" 적이 없습니다. 그렇게 할 수 있는 도구가 없었습니다. 대신 중력 매핑, 스핀 추적, 자기장 측정을 조합하여 크기와 구조를 추론하는 탐정처럼 작동했습니다. 이 분석을 통해 수성 반경의 약 85%를 차지하는 부분적으로 용융된 거대 핵이 밝혀졌습니다.

표준적인 설명은 훨씬 더 큰 몸체와의 고대의 치명적인 충돌입니다. 그러나 이 이야기에는 그 자체로 문제가 있었습니다. "대부분의 연구에서는 실질적으로 다른 질량을 지닌 물체들 사이의 이진 충돌을 가정하는데, N체 시뮬레이션에서는 그럴 것 같지 않습니다."라고 자연 천문학의 패트릭 프랑코(Patrick Franco)와 동료들은 썼습니다. .

간단히 말해서, 시뮬레이션에 따르면 이러한 불평등한 대량 충돌은 드물다는 것을 보여줍니다. 원시 수성과 같은 작은 몸체를 6배나 더 작거나 더 큰 물체로 때리고, 암석 맨틀을 벗겨내면서 금속 핵은 그대로 두는 것이 적절하게 이루어지기 위해서는 자주 발생하지 않는 궤도 체조가 필요할 것입니다.

그래서 프랑코와 그의 팀은 뭔가 다른 것을 시도했습니다.

방목

연구자들은 수성을 이상한 사고로 인해 폭행당한 생존자로 상상하는 대신 더 흔한 사건, 즉 비슷한 크기의 두 원시행성 사이의 충돌을 조사했습니다.

프랑코는 보도자료에서 “시뮬레이션을 통해 수성의 형성에는 예외적인 충돌이 필요하지 않다는 것을 보여주었다”고 설명했다. "비슷한 질량을 가진 두 원시행성 간의 충돌은 그 구성을 설명할 수 있습니다. 이는 통계적, 역동적인 관점에서 볼 때 훨씬 더 그럴듯한 시나리오입니다."

연구팀은 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)라는 기술을 사용하여 수백 번의 행성 충돌을 시뮬레이션했습니다. 천체 물리학에서 널리 사용되는 이 방법은 암석이나 금속과 같은 물질을 중력과 압력 하에서 상호 작용하는 수백만 개의 유체 입자로 모델링합니다. 그들의 목표는 알려진 물리학이나 확률을 위반하지 않고 수성과 같은 세계를 만들기에 충분한 암석을 제거할 수 있는지 확인하는 것이었습니다.

그들은 성공했습니다. 특히 유망한 시뮬레이션 중 하나는 수성의 현재 질량의 2.36배인 원시 수성이 약간 더 작은 행성과 32.5° 각도로 충돌하는 것과 관련이 있습니다. 여파:잔존물은 수성보다 5% 더 크고, 금속 대 규산염 비율은 실제와 거의 동일합니다.

잔해는 어디로 갔나요?

초기 충돌 모델에서는 충돌 중에 방출된 대부분의 암석이 수성으로 떨어지면서 금속이 풍부한 핵이 희석되었습니다. 그것은 관찰에 맞지 않았습니다. 하지만 프랑코의 모델에서는 잔해의 대부분이 완전히 빠져나갑니다.

“초기 조건에 따라 찢어진 물질의 일부가 튀어나와 다시는 돌아오지 않을 수도 있습니다.”라고 Franco는 말했습니다. "충돌이 근처 궤도에서 발생했다면 이 물질이 형성 중인 다른 행성, 아마도 금성에 의해 통합되었을 가능성이 있습니다."

이 아이디어는 초기 태양계의 행성 역학에 대해 우리가 알고 있는 것과 일치합니다. 시뮬레이션에 따르면 뺑소니 충돌로 알려진 이러한 유형의 방목 충돌은 행성 형성의 첫 1억년 동안 흔히 발생했습니다. 행성의 배아들은 우주의 당구공처럼 서로 밀치고 부딪치며 공간과 질량을 놓고 경쟁했습니다.

“그것은 행성의 전쟁터였습니다.” 프랑코가 말했습니다. "그들은 오늘날 우리가 알고 있는 잘 정의되고 안정적인 궤도 구성만이 남을 때까지 행성 배아의 보육원 내에서 중력으로 상호 작용하고, 서로의 궤도를 교란하고, 심지어 충돌까지 하는 진화하는 물체였습니다."

가능성 높음

이 새로운 시나리오를 눈에 띄게 만드는 것은 통계적 타당성입니다. "스모킹 건" 유형의 증거는 없지만 더 그럴듯해 보입니다. 고도로 편심된 궤도와 거의 불가능한 일련의 조건을 요구하는 희귀한 거대 충돌 가설과 달리 비슷한 크기의 물체 사이의 스침 충돌은 행성 형성 시뮬레이션의 최대 20%에서 발생합니다.

더 좋은 점은 새 모델이 이상한 화학적 환경을 가정할 필요가 없다는 점입니다. 프랑코는 “우리는 수성이 처음에는 다른 지구 행성과 비슷한 구성을 가질 것이라고 가정했습니다.”라고 말했습니다. 충돌만으로도 맨틀의 60%가 벗겨지고 코어가 무거운 세계가 남을 만큼 충분합니다.

연구원들은 충격 각도와 속도를 조정하면서 수십 가지 구성을 테스트했습니다. 그들은 너무 직접적이지도, 너무 얕지도 않은 좁은 띠의 "골디락스" 충돌을 발견했는데, 이는 지속적으로 머큐리 유사체를 생성했습니다. 한 시뮬레이션에서는 지구 질량의 0.056배에 달하는 질량과 그 무게의 68%를 차지하는 핵으로 구성된 잔해가 형성되었습니다. 수성의 실제 질량은? 0.055. 핵심? 대략 70%입니다.

그러나 현실은 시뮬레이션을 통해 더 명확한 그림이 그려지더라도 우리는 여전히 수성을 이해하기 시작하는 단계에 있다는 것입니다.

행성의 휘발성 요소, 즉 태양 근처의 엄청난 충격에서 살아남지 말아야 할 칼륨 및 황과 같은 화학 물질은 어떻습니까? 메신저 표면에서 발견되어 과학자들을 혼란스럽게 만들었습니다. 현재 연구는 그 수수께끼를 해결하는 것이 아니라 길을 열어줍니다.

연구에서는 “대부분의 휘발성 물질이 거대한 충격에 의해 제거되더라도 수성은 이후 혜성이나 남은 소행성으로부터 비침식성 충돌을 겪었을 수 있으며 이로 인해 휘발성 물질이 표면으로 전달되었을 수 있습니다”라고 지적합니다.

그리고 앞으로 더 많은 것이 있습니다. 2026년 유럽-일본 선교부 베피콜롬보 행성의 중력과 자기장을 깊숙이 들여다볼 수 있는 장비를 갖춘 수성에 도착할 것이며, 아마도 그 수수께끼의 핵의 전체 구조를 드러낼 것입니다.

프랑코는 “수성은 우리 시스템에서 가장 적게 탐사된 행성으로 남아있다”고 말했다. "하지만 상황은 변하고 있습니다. 새로운 세대의 연구와 임무가 진행 중이며, 아직 흥미로운 것들이 많이 나오지 않을 것입니다."