(A new analysis of moon rocks pins down the end of the lunar dynamo, the process by which the moon once generated a magnetic field. Credit: Hernán Cañellas and Benjamin Weiss)
현재의 달은 지질활동이 활발하지 않은 천체이지만, 과거에는 달랐습니다. 달 표면에 있는 거대한 용암 대지와 화산 활동의 흔적은 한 때 달 내부가 지구처럼 액체 상태였으며 활발한 지질 활동이 있었다는 점을 보여주고 있습니다. 당연히 이 시기에는 달에도 강한 자기장이 있었습니다. 이와 같은 사실은 아폴로 시절 수집한 달 암석 샘플을 통해서 입증됐습니다. 30억년 전 용암에서 생성된 암석 샘플에서 용암이 흘렀을 당시 자기장이 기록되었기 때문입니다. 그리고 현재는 자기장이 거의 없다는 것이 확실하기 때문에 30억년 이후 어느 시점에 사라진 것이 분명합니다. 하지만 그 시점을 특정하기는 어려웠습니다.
MIT의 벤자민 웨이스 교수 (Benjamin Weiss, professor of earth, atmospheric, and planetary sciences at MIT)가 이끄는 연구팀은 이론적인 모델과 실제 아폴로 시절 수집한 암석 샘플을 토대로 달의 자기장이 사라진 것이 10-15억년 전이라는 연구 결과를 저널 Science Advances에 발표했습니다. 연구팀은 암석 샘플 가운데 10억년 전 운석 충돌로 형성된 파편에서 0.1 microtesla의 매우 약한 자기장을 발견했습니다. 운석 충돌 시 고온 환경에서 녹았다가 다시 식는 과정에서 자기장이 기록된 것인데, 이 결과를 신뢰할 수 있다면 10억년 전에는 달에 자기장이 사라진 셈입니다. 연구팀은 이 샘플을 가열했다가 다시 자기장을 기록하는 방법으로 이 암석이 자기장을 효과적으로 기록할 수 있음을 입증했습니다.
달 자기장은 지구와 마찬가지로 철로 된 내핵이 녹은 외핵과 맨틀의 회전에 의한 전자기 유도로 인해 발생합니다. 다이나모 Dynamo 이론은 행성 자기장 생성을 설명하는 핵심적인 이론입니다. 태초 지구와 다른 행성의 충돌로 형성된 초기 달은 내부가 완전히 녹은 상태였으며 지구와의 거리도 매우 가까워 이로 인해 내부에 상당한 에너지가 있었습니다. 이로 인해 초기 자기장은 지구보다 더 강했던 것으로 보입니다. 40억년 전 달 암석 샘플에는 10 마이크로테슬라의 강한 자기장이 기록되어 있었습니다.
그러나 달이 지구에서 점점 멀어진 후에는 지구의 중력보다 내부 핵이 점점 식으면서 결정화되는 핵 결정화 (core crystallization) 과정이 더 중요한 자기장의 원인이 됐습니다. 결정화 되어 굳은 철의 핵 주변으로 녹은 외핵이 흐르면서 다이나모 효과에 의해 자기장이 형성된 것입니다. 하지만 핵이 다 굳은 후에는 더 이상 자기장이 형성되기 힘들어졌고 달의 자기장은 거의 사라지게 됐습니다. 이 시기는 10-15억 년 정도로 생각되는데, 이번 연구 결과는 이를 지지하는 결과로 볼 수 있습니다.
달을 비롯한 행성과 위성들의 자기장은 이 천체가 겪었던 역사를 보여주고 있습니다. 앞으로도 이에 대한 흥미로운 연구가 계속 발표될 것으로 생각합니다.
참고
Saied Mighani et al. The end of the lunar dynamo, Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.aax0883
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