[이광식의 천문학+] 냉-온탕 겸비한 수성의 놀라운 비밀

유럽의 수성탐사선 베피콜롬보가 지난 6월 19일 중력도움으로 수성을 세 번째 플라이바이하면서 크레이터로 가득 찬 표면의 놀라운 클로즈업 이미지를 촬영했다.

2018년에 시작된 유럽과 일본의 합작 수성 탐사 미션은 내부 태양계를 통과하는 7년 항해의 마지막 구간에 접근하고 있다. 베피콜롬보는 2025년 후반 태양 궤도에서 수성 궤도로 전환할 수 있을 만큼 충분히 감속하기 위해 지구와 금성, 수성을 플라이바이하면서 중력도움 비행을 수행하는 중이다.

베피콜롬보의 다음 플라이바이는 2024년 9월 5일에 있을 예정이며, 이어 2024년 12월, 2025년 1월의 근접비행을 통해 더욱 속도를 줄여가며 수성 궤도에 진입한다. 베피콜롬보는 오늘날 널리 쓰이는 우주 탐사선의 항법을 개발한 20세기 이탈리아 과학자 주세페 베피 콜롬보의 이름을 땄다. 중력도움으로 알려진 이 항법은 행성의 중력을 이용해 진로를 바꾸거나 속력을 변화시키는 ‘행성궤도접근통과'(Fly-by) 기술이다.

베피콜롬보는 유럽우주국의 ‘수성 행성 궤도선’(MPO)과 일본우주항공연구개발기구(JAXA)의 ‘수성 자기장 궤도선’(MMO) 두 개의 탐사선으로 구성돼 있다. 두 탐사선은 2026년부터 분리돼 각기 고도 480~1500km의 타원궤도를 돌며 1~2년 동안 독립적으로 수성 탐사를 한 뒤 서서히 고도를 낮춰가 수성 표면에 충돌할 것으로 예상된다.

베피콜롬보의 기본 임무는 수성 표면을 촬영하고 자기장을 분석하는 것이다. 또 수성의 거대한 핵을 이루고 있는 철 성분도 분석한다. 수성은 전체의 64%가 철이다. 수성이 핵이 크고 지각이 얇은 행성이 된 것은 거대한 천체가 수성과 충돌하면서 맨틀 대부분을 날려버렸기 때문으로 과학자들은 추정한다.

태양에 가장 가까운 수성, 어떤 행성인가?

​태양에 가장 가까운 제1 행성 수성은 태양을 두번 공전하는 동안 세 번 자전하며, 공전 주기는 88일이다. 반지름은 2,440km, 둘레 43,924km로 가장 작은 내행성이기도 하다. 수성과 지구의 거리는 평균 7,700만km로 지구~태양 평균 거리의 절반 정도다. 그러나 태양 중력의 영향을 많이 받는데다 공전 속도가 초속 47km로 지구보다 1.5배나 빠르고, 표면 온도가 낮에는 400도, 밤에는 영하 170도로 변화가 극심해 우주선이 수성 궤도에 안정적으로 진입하거나 착륙하는 것이 쉽지 않다.

수성은 태양계 행성들 중 가장 밀도가 큰 천체로, 그 땅속에 특이할 정도로 금속 성분이 뭉친 덩어리가 굵직하게 있는 것으로 추정된다. 지구의 밀도는 수치상으로는 크지만 사실 자체 중력으로 인해 내부가 압축된 상태임에 반해, 수성은 부피가 지구보다 훨씬 더 작고 내부 또한 그리 압축되어 있지 않다.

이 같은 수성의 큰 밀도는 내부 핵 크기가 크고, 핵에 포함된 철 함량이 풍부하다는 것을 의미한다. 지질학자들은 수성의 핵 부피가 전체 대비 42%(지구는 17%)일 것이라고 추측하며, 특히, 최근 연구로 수성의 핵이 용융 상태라는 것이 밝혀졌다. 작은 크기와 59일에 이르는 느린 자전 속도에도 불구하고, 수성은 자기장을 가지고 있다. 매리너 10호의 수성 자기장 크기 측정 결과 지구의 1.1%임이 밝혀졌다.

지름 70㎞ 넘는 ‘윤선도 크레이터‘

수성의 표면은 달과 비슷하게 충돌구가 많으며, 행성이 식으면서 수축할 때 형성된 길이 수백 km의 장대한 절벽이 존재한다. 약간의 대기가 있지만, 기압은 지구의 1조 분의 1로 매우 희박하다. 중력이 너무 약해 대기를 붙잡아둘 수 없었기 때문이다.

따라서 수성에는 바람이 불지 않는다. 표면에 있는 수많은 충돌구들은 풍화작용이 없으니 수십, 수백만년이 지나도 형태가 그대로 보존된다. 전체적으로 수성 표면은 달에 있는 바다와 유사한 평원과, 수십억 년 동안 활동하지 않는 큰 충돌구가 있다. 46억 년 전부터 38억 년 전까지, 수성 표면에 혜성과 소행성이 충돌하는 기간이 있었는데, 이 기간을 후기 대폭격기라고 한다. 이 기간 동안 수성은 전체적으로 폭격을 받아 충돌구가 급격히 늘어났다. 이는 지구와 달리 수성은 대기가 희박하기 때문에, 충돌체의 속도가 감소하지 않았기 때문이다.

또, 이 시기에는 화산 활동도 활발했다. 마그마로 가득 차 있는 분지는 그 때문이다. 2008년 10월, 메신저에서 전송된 수성 표면에 관한 자료는 연구자들에게 큰 도움을 주었다. 이 자료로 수성 표면은 화성이나 달 표면보다 더 이질적라는 것이 밝혀졌다. 태양에 가까워 엄청난 에너지를 고스란히 받는 수성은 표면의 평균온도가 약 452K(179℃)일 정도로 펄펄 끓는 용광로이지만, 온도변화는 약 90K(-183℃)~700K(427℃)로 매우 심하다. 말하자면 냉-온탕 겸비인 행성인 셈이다.

그런데도 놀랍게 1992년 레이더 관측에 의해 수성의 북극 부분에서 물과 얼음이 발견되었다. 이 얼음은 혜성의 충돌이나 수성 내부에서 방출되어 생긴 물이 1년 동안 태양광이 닿지 않는 극지방의 크레이터 바닥에 남겨져 있던 것으로 보인다. 얼음 상태의 물을 보존하는 데는 수성에 공기가 없다는 점이 오히려 도움이 된다. 공기로 인한 열의 전도가 거의 이루어지지 않기 때문이다.

수성의 충돌구는 작은 그릇 형태 구멍부터 수천 km 에 달하는 충돌 분지까지 매우 다양하다. 또한 생성된 지 얼마 안된 충돌구에서부터 이미 크게 풍화된 충돌구에 이르기까지 상태들도 다양하다. 수성 표면에서 가장 큰 충돌구는 직경 1,550km 되는 칼로리스 분지다. 이 분지에 가해진 충격은 매우 강해서 용암이 분출하고, 높이 2km인 동심원 형태 고리가 충돌구를 둘러싼 형태로 퍼져나갔다. 그밖에도 수성의 부분 사진에서 충돌 분지 15개 확인되었다. 주목할 만한 분지는 폭 400 km의 톨스토이 분지다. 베토벤 분지는 분출물 덮개와 비슷한 크기이며, 폭은 625 km이다.

한국인의 이름을 딴 크레이터도 있다. 바로 지름 70km가 넘는 윤선도 크레이터다. 과거 행성 표면 지형에 이름을 붙일 때, 유럽의 유명인사 이름들이 선택되곤 했는데, 20세기 후반 한국도 세계 과학계에서 활발한 활동을 하게 되면서 한국인의 이름이 외계 지명으로 사용되는 사례가 늘어났다. 수성에는 조선 중기를 대표하는 시인이자 정치인인 정철의 이름을 딴 지형도 있다고 한다.

수성은 태양의 강력에 중력에 의해 사로잡힌 조석 고정 상태이기 때문에, 달이 지구에 대해 그렇듯 항상 태양과 같은 면을 마주하고 있다. 그러나 1965년, 레이더 관측으로 3번 자전하는동안 2번 공전하는 3:2 궤도 공명 효과를 받는 것이 증명되었다.

이것 외에도 수성은 엄청난 비밀을 하나 더 숨기고 있다. 수성 궤도를 수치적으로 시뮬레이트한 결과, 수성 궤도 이심율이 차츰 증가하면 목성과의 궤도 공명으로 앞으로 50억 년 안에 이웃 행성인 금성과 충돌할 것이라는 결과가 나왔다. 50억 년 후면 태양은 생애의 거의 막바지에 달해 적색거성의 단계로 접어들 것이고, 지구는 뜨거운 태양에 달구어져 바다는 모두 증발하고 숯덩이처럼 되어 있을 것이다. 

이광식 과학 칼럼니스트 joand999@naver.com