낮에는 430도, 밤에는 영하 180도의 극한 온도 차이를 보이는 수성. 태양계에서 가장 작은 행성이지만 거대한 철 핵을 가진 수성의 독특한 환경과 매리너 10호부터 메신저, 베피콜롬보까지의 탐사 역사를 알아봅니다. 오늘은 수성의 극한 환경과 탐사, 태양에 가장 가까운 행성에 대해서 살펴보겠습니다.
태양에 가장 가까운 작은 행성
수성은 태양계의 첫 번째 행성으로 태양에서 평균 5790만 킬로미터 떨어져 있는데, 이는 지구-태양 거리의 약 0.39배에 해당하며 태양에 매우 가깝기 때문에 극한의 환경을 가지고 있습니다. 수성의 지름은 4879킬로미터로 달보다 약간 큰 정도이며, 태양계 행성 중 가장 작지만 밀도는 지구 다음으로 높아서 5.43 g/cm³에 달하는데 이는 거대한 철 핵을 가지고 있기 때문입니다. 수성의 핵은 행성 전체 부피의 약 42%를 차지하는데, 이는 다른 암석 행성들보다 훨씬 큰 비율이며 수성이 어떻게 형성되었는지에 대한 흥미로운 질문을 제기합니다. 한 가지 가설은 초기에 수성이 지금보다 훨씬 컸지만 거대 충돌로 맨틀의 대부분이 날아가고 핵만 남았다는 것인데, 또 다른 가설은 태양에 가까워서 초기 태양계의 뜨거운 태양풍이 가벼운 규산염 물질을 날려버렸다는 것입니다. 수성의 표면 온도는 극단적인데 낮 시간에는 최고 430도까지 올라가고 밤에는 영하 180도까지 내려가서 온도 차이가 무려 600도가 넘는데, 이렇게 큰 온도 차이가 생기는 이유는 수성에 실질적인 대기가 없어서 열을 보존할 수 없기 때문입니다. 수성의 대기는 극도로 희박한 외기권으로 나트륨, 칼륨, 산소 원자들이 태양풍과 미소운석 충돌로 표면에서 방출되어 형성되는데, 압력이 지구 대기의 10조분의 1 수준이라서 사실상 진공 상태입니다.
수성의 독특한 특징들
수성은 88일에 한 번 태양 주위를 공전하는데 이는 태양계 행성 중 가장 빠른 속도이며 자전 주기는 59일로 공전 주기의 정확히 3분의 2인데, 이러한 3:2 공명은 태양의 조석력에 의해 형성되었습니다. 이 독특한 공전-자전 비율 때문에 수성의 하루는 176지구일이 걸리는데, 이는 수성의 2년에 해당하며 한 지점에서 태양이 뜨고 지는 데 매우 긴 시간이 걸립니다. 수성의 궤도는 이심률이 0.21로 태양계 행성 중 가장 큰데, 이는 근일점과 원일점의 거리 차이가 크다는 의미이며 태양에 가장 가까울 때는 4600만 킬로미터, 가장 멀 때는 7000만 킬로미터입니다. 이 타원 궤도는 아인슈타인의 일반상대성이론을 검증하는 데 중요한 역할을 했는데, 수성의 근일점이 100년에 43초각씩 이동하는 현상을 뉴턴 역학으로는 설명할 수 없었지만 일반상대성이론으로 정확히 예측되었습니다. 수성의 표면은 달과 비슷하게 크레이터로 뒤덮여 있는데, 가장 큰 충돌 분지인 칼로리스 분지는 지름이 1550킬로미터로 텍사스 주만큼 크며 약 39억 년 전 거대한 소행성 충돌로 형성되었습니다. 이 충돌의 충격파가 행성 반대편까지 전달되어 '이상한 지형'이라고 불리는 험준한 언덕 지대를 만들었는데, 이는 충격파가 수성 내부를 통과해 반대편에서 수렴되면서 지각을 융기시킨 것입니다. 수성에는 로베이트 스카프라고 불리는 거대한 절벽들이 있는데, 이는 수성이 식으면서 수축하여 형성된 것으로 높이가 수 킬로미터에 달하며 길이는 수백 킬로미터에 이릅니다.
수성의 극한 환경과 탐사
수성은 태양에 가까워서 탐사하기 매우 어려운데, 탐사선이 태양의 강력한 중력을 이기고 수성 궤도에 진입하려면 엄청난 에너지가 필요하기 때문입니다. 1974년과 1975년 매리너 10호가 수성을 세 번 근접 비행하면서 최초로 상세한 이미지를 보냈는데, 수성 표면의 약 45%를 촬영했고 자기장의 존재를 발견했습니다. 수성의 자기장은 지구 자기장의 약 1%에 불과하지만 이렇게 작고 느리게 자전하는 행성이 자기장을 가진다는 것은 놀라운 일인데, 이는 수성의 핵이 부분적으로 액체 상태임을 시사합니다. 2004년 발사된 메신저 탐사선은 2011년 수성 궤도에 진입한 최초의 탐사선이 되었는데, 4년간 수성을 관측하면서 표면 전체를 상세히 촬영하고 중요한 발견들을 했습니다. 메신저는 수성의 극지방 크레이터 내부에 얼음이 존재한다는 증거를 발견했는데, 이 크레이터들은 햇빛이 닿지 않는 영구 음영 지역으로 온도가 영하 170도 이하로 유지되어 얼음이 승화되지 않고 보존될 수 있습니다. 또한 수성 표면에 화산 활동의 증거를 발견했는데, 수십억 년 전 화산 분출로 형성된 평원들이 있으며 비교적 최근까지도 화산 활동이 있었을 가능성을 제시했습니다. 2018년 발사된 베피콜롬보는 유럽우주국과 일본우주항공연구개발기구의 공동 미션으로 2025년 수성 궤도에 진입할 예정인데, 두 개의 탐사선이 각각 수성 표면과 자기권을 연구할 것입니다. 베피콜롬보는 메신저보다 훨씬 정밀한 관측을 수행하여 수성의 내부 구조, 자기장 생성 메커니즘, 외기권 구성, 표면 지질학을 상세히 연구할 것인데, 특히 수성의 거대한 철 핵이 어떻게 형성되었는지와 현재도 부분적으로 액체 상태를 유지하는 이유를 밝히려 합니다. 수성은 작지만 태양계 형성과 행성 진화를 이해하는 데 중요한 단서를 제공하는데, 극한 환경에서 살아남은 이 작은 행성의 비밀들이 앞으로 더 많이 밝혀질 것입니다.