(An artist’s concept of a super-Earth in the habitable zone of a star smaller and cooler than the sun. Such large planets could have long-lasting magma oceans that generate magnetic fields capable of protecting incipient life. The graphic was created to model Kepler-62f, one of many exoplanets discovered by NASA’s now inoperable Kepler space telescope. Credit: NASA Ames/JPL-Caltech/Tim Pyle)
(Layers of a possible super-Earth. The heat of formation of such a large planet could keep its magma oceans active for a billion years, generating its own magnetic field in addition to the magnetic field produced by an iron core. Credit: NASA)
태양계 행성들은 강도의 차이는 있지만, 모두 자기장을 지니고 있습니다. 지구는 암석형 행성 가운데 가장 클 뿐 아니라 태양계 내행성 가운데 가장 강한 자기장으로 대기와 표면을 보호하고 있습니다. 이 자기장이 없다면 장기간 두꺼운 대기를 보호할 수 없는데다 생명체에 유해한 방사선을 막을 수 없기 때문에 강한 자기장은 지구와 비슷한 생명체가 탄생할 수 있는 중요한 조건으로 생각되고 있습니다.
그렇다면 지구보다 더 큰 슈퍼 지구형 외계 행성들의 자기장은 어떨까요? 기본적으로 내부가 더 뜨겁고 큰 핵을 지니고 있기 때문에 더 강력한 자기장을 지니고 있을 가능성이 크지만, 크기가 비슷한 지구와 금성의 자기장이 많이 약한 것처럼 반드시 강하다고 장담하기는 어렵습니다.
캘리포니아 대학 지구 행성 교실의 버크하드 밀리처 교수 (Burkhard Militzer, a UC Berkeley professor of earth and planetary science)가 이끄는 연구팀은 이론적인 시뮬레이션을 통해 이를 검증했습니다. 물론 직접 자기장을 측정하는 것이 가장 확실한 방법이지만, 현실적으로 가능하지 않기 때문에 이론적인 검증을 먼저 시도한 것입니다.
슈퍼 지구는 크기 때문에 내부의 맨틀이 더 오래 녹아 액체 상태를 유지할 것으로 생각됩니다. 핵심은 이 액체 맨틀이 전도성이 있느냐는 것입니다. 연구팀은 지구 내부 상태보다 더 고온 고압인 1000만 기압과 섭씨 1만도의 환경에서 규산염 광물이 철의 1/100 정도의 전도성을 지닌다 (Liquid silicates at 10,000 Celsius and 10 million atmospheres of pressure have only about one-hundredth the conductivity of liquid iron)는 점을 발견했습니다. 하지만 워낙 크기가 크기 때문에 이것만으로도 상당한 자기장이 생성될 수 있습니다. 대략 자전 주기가 2일 정도만 되도 지구와 비슷한 형태의 자기장이 생길 수 있을 것으로 예상됐습니다.
이 연구 결과는 슈퍼 지구에 생명체가 있을 가능성을 지지하는 결과지만, 확인을 위해서는 역시 직접 자기장을 측정할 필요가 있습니다. 아무리 현대 과학 기술이 발달했다고 해도 멀리 떨어진 행성의 자기장을 측정하기는 어렵습니다. 과연 어떤 돌파구가 나올 수 있을지 궁금합니다.
참고
François Soubiran et al. Electrical conductivity and magnetic dynamos in magma oceans of Super-Earths, Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-06432-6
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