우주 이야기 1191 - 슈퍼 지구의 맨틀 결정 구조

 (Silicate minerals make up most of the Earth's mantle and are thought to be a major component of the interiors of other rocky planets, as well, based on calculations of their densities. On Earth, the structural changes induced in silicates under high pressure and temperature conditions define key boundaries in Earth's deep interior, like that between the upper and lower mantle. The research team was interested in probing the emergence and behavior of new forms of silicate under conditions mimicking those found in distant worlds. Credit: Kalliopi Monoyios.)

 

(Working with magnesium germanate, Mg2GeO4, analogous to one of the mantle's most abundant silicate minerals, the team was able to glean information about the potential mineralogy of super-Earths and other large, rocky exoplanets. Under about 2 million times normal atmospheric pressure a new phase emerged with a distinct crystalline structure that involves one germanium bonded with eight oxygens. The new eight-coordinated, intrinsically discorded mineral is expected to strongly affect the internal temperature and dynamics of these planets. Credit: Rajkrishna Dutta)

 지구는 태양계에서 가장 큰 규산염 암석 행성입니다. 하지만 우주에는 지구보다 몇 배나 큰 암석 행성인 슈퍼 지구가 존재합니다. 적당한 궤도를 공전하는 슈퍼 지구는 많은 양의 대기와 물을 지니고 있을 수 있어 어쩌면 생명체가 살기에 더 적합한 환경일지도 모릅니다. 

 카네기 대학 지구 및 행성 연구소의 과학자들은 슈퍼 지구의 맨틀 구조에 대해 연구했습니다. 지구에서 볼 수 있듯이 생명체가 살기에 적합한 표면 환경은 지각 아래 내부 구조의 영향이 큽니다. 지구 내부에서 생성된 강력한 자기장은 생명체와 대기를 보호하고 적절한 지질 활동은 대기와 바다를 형성할 수 있는 물질을 표면으로 내보냅니다. 

 연구팀은 슈퍼 지구 역시 규산염이 주성분인 맨틀 구조를 지니고 있을 것으로 예상했습니다. 하지만 맨틀 내부의 규산염 광물의 결정 구조를 연구하기에는 실험실에서 재현할 수 없는 수준의 압력과 온도가 필요합니다. 

 따라서 연구팀은 게르마늄을 실리콘의 대용품으로 사용해 연구했습니다. 실험실에서 200만 기압의 압력을 가하면 지구 질량의 4배에 달하는 슈퍼 지구 맨틀의 환경을 재현할 수 있을 것으로 예상되기 때문입니다. 연구팀이 테스트한 광물은 Mg2GeO4으로 게르마늄 원자 하나가 4개의 산소에 둘러싸여 있는 구조입니다. 

 고압 환경에서 게르마늄-산소 결정 구조는 4개 대신 8개의 산소로 둘러싼 형태로 변경했습니다. 물론 이것만으로 슈퍼 지구의 맨틀 구조를 알 순 없지만, 연구팀은 하나씩 단서를 찾아갈 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 

 당장에는 간접적이고 이론적인 연구가 주를 이루지만, 언젠가 과학자들은 슈퍼 지구에 생명체가 살 수 있는 환경인지 알아낼 것으로 생각합니다. 

 참고 

https://phys.org/news/2022-03-depths-distant-worlds.html

Rajkrishna Dutta et al, Ultrahigh-pressure disordered eight-coordinated phase of Mg2GeO4: Analogue for super-Earth mantles, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2114424119