달의 일부 암석이 강한 자성을 띠는 이유는 무엇일까?

달의 자기장은 어디로 갔을까요? 과학자들은 궤도를 도는 우주선이 달 표면 암석에서 높은 자기장의 흔적을 포착한 이후 수십 년 동안 이 의문을 놓고 고심해 왔습니다. 오늘날 달 자체에는 고유한 자기장이 없습니다.

이제 MIT 과학자들이 그 미스터리를 풀었을지도 모릅니다. 그들은 고대의 약한 자기장과 거대한 플라즈마 생성 충돌이 결합되어 달의 뒷면에 집중된 강한 자기장을 일시적으로 형성했을 가능성이 있다고 주장합니다.

사이언스 어드밴시스 (Science Advances) 저널에 게재된 한 연구에서 연구진은 상세한 시뮬레이션을 통해 대형 소행성과 같은 충돌이 달을 잠시 감싸는 이온화 입자 구름을 생성했을 가능성을 보여주었습니다.

이 플라즈마는 달 주변으로 흘러가 초기 충돌 지점과 반대 위치에 집중되었을 것입니다. 그곳에서 플라즈마는 달의 약한 자기장과 상호 작용하여 순간적으로 증폭시켰을 것입니다.

이 지역의 암석은 자기장이 빠르게 사라지기 전에 강화된 자기장의 흔적을 기록했을 수 있습니다.

이러한 여러 사건의 조합은 달 뒷면 남극 근처 지역에서 강한 자성을 띤 암석이 감지된 이유를 설명할 수 있습니다. 공교롭게도, 가장 큰 충돌 분지 중 하나인 임브리움 분지는 달 뒷면 정반대 지점에 위치해 있습니다. 연구진은 그 충돌의 원인이 무엇이었든 간에, 시뮬레이션에서 이러한 상황을 촉발시킨 플라스마 구름을 방출했을 가능성이 높다고 추측합니다.

MIT 지구대기행성과학과(EAPS) 대학원생이자 이 논문의 주저자인 아이작 나렛은 "달 자기장의 상당 부분은 아직 설명되지 않았습니다."라고 말합니다. "하지만 궤도를 도는 우주선에서 측정되는 강력한 자기장의 대부분은 이 과정으로 설명할 수 있습니다. 특히 달 뒷면에서 그렇습니다."

나렛의 공동 저자로는 MIT의 로나 오란과 벤자민 바이스, 커틴 대학교의 카타리나 밀코비치, 미시간 대학교 앤아버 캠퍼스의 위시 첸과 가보르 토트, 그리고 케임브리지 대학교의 엘리아스 만스바흐 박사(24학위)가 있습니다. MIT 핵과학 및 공학과 누누 루레이로 교수 또한 통찰력과 조언을 제공했습니다.

태양 너머로

과학자들은 수십 년 동안 달에 강력한 자기장의 잔재가 남아 있다는 사실을 알고 있었습니다. 1960년대와 70년대 NASA의 아폴로 임무에 참여한 우주비행사들이 달 표면에서 채취한 샘플과 궤도를 도는 우주선이 원격으로 측정한 달의 전 지구적 관측 결과는 표면 암석, 특히 달 뒷면에 잔류 자기의 흔적이 있음을 보여줍니다.

표면 자기에 대한 전형적인 설명은 내부 "다이너모", 즉 녹고 휘젓는 물질로 이루어진 핵에 의해 생성되는 지구 자기장입니다. 오늘날 지구는 다이너모 과정을 통해 자기장을 생성하며, 달도 한때 같은 역할을 했을 것으로 추정됩니다. 하지만 훨씬 작은 핵은 훨씬 약한 자기장을 생성했을 것이며, 이는 특히 달 뒷면에서 관찰되는 고도로 자화된 암석들을 설명하기에는 부족할 수 있습니다.

과학자들이 수시로 검증해 온 또 다른 가설은 거대한 충돌로 인해 플라즈마가 생성되었고, 이로 인해 약한 자기장이 증폭되었다는 것입니다. 2020년, 오랑과 바이스는 지구와 달까지 뻗어 나가는 약한 자기장인 태양에서 생성된 자기장과 함께 달에 대한 거대한 충돌 시뮬레이션을 통해 이 가설을 검증했습니다.

시뮬레이션을 통해 그들은 달에 대한 충돌이 그러한 태양 자기장을 증폭시켜 표면 암석의 높은 자기 측정치를 설명할 수 있는지 시험했습니다. 결과는 그렇지 않은 것으로 밝혀졌고, 그들의 결과는 플라즈마 유도 충돌이 달의 자기력 부족에 영향을 미칠 가능성을 배제하는 것으로 보였습니다.

스파이크와 지터

하지만 새로운 연구에서 연구진은 다른 접근법을 취했습니다. 태양의 자기장을 고려하는 대신, 달에도 한때 약한 자기장이긴 하지만 자체적으로 자기장을 생성하는 발전기가 있었을 것이라고 가정했습니다. 달 핵의 크기를 고려할 때, 그들은 그러한 자기장이 약 1마이크로테슬라, 즉 현재 지구 자기장보다 50배 약했을 것이라고 추정했습니다.

이 출발점에서 연구진은 달의 앞면에 임브리움 분지(Imbrium Basin)를 형성했을 것으로 추정되는 것과 유사한, 달 표면에 대한 대규모 충돌을 시뮬레이션했습니다. 카타리나 밀코비치(Katarina Miljkovic)의 충돌 시뮬레이션을 활용하여, 연구팀은 충돌로 인해 표면 물질이 기화되면서 생성되었을 플라즈마 구름을 시뮬레이션했습니다.

미시간 대학교(University of Michigan)의 공동 연구진이 개발한 두 번째 코드를 활용하여, 생성된 플라즈마가 어떻게 흐르고 달의 약한 자기장과 상호 작용하는지 시뮬레이션했습니다.

이러한 시뮬레이션은 충돌로 인해 플라스마 구름이 생성될 때, 일부는 우주로 확장되고 나머지는 달 주변을 돌며 반대편에 집중될 것임을 보여주었습니다. 그곳에서 플라스마는 달의 약한 자기장을 압축하고 일시적으로 증폭시켰을 것입니다. 자기장이 증폭되는 순간부터 기준선으로 감소하는 순간까지 이 전체 과정은 엄청나게 빨랐을 것이라고 내럿은 말합니다. 약 40분 정도 걸렸을 것입니다.

이 짧은 시간 동안 주변 암석들이 순간적인 자기장 스파이크를 기록하기에 충분했을까요? 연구진은 충돌과 관련된 다른 효과의 도움을 받아 충분하다고 말합니다.

그들은 임브리움 규모의 충돌이 지진 충격과 유사한 압력파를 달에 전달했을 것이라는 사실을 발견했습니다. 이 파동은 반대편으로 수렴하여 주변 암석을 "흔들었고", 암석의 전자(외부 자기장에 따라 스핀 방향을 자연스럽게 바꾸는 아원자 입자)를 잠시 불안정하게 만들었을 것입니다. 연구진은 충돌의 플라즈마가 달의 자기장을 증폭시키는 순간 암석이 충격을 받았을 것이라고 추측합니다. 암석의 전자가 다시 안정되면서 순간적인 높은 자기장에 맞춰 새로운 방향을 잡았습니다.

"마치 52장짜리 카드 덱을 공중에 던지고 자기장 속에 넣으면 각 카드에 나침반 바늘이 있는 것과 같습니다."라고 바이스는 말합니다. "카드가 다시 땅에 닿으면 새로운 방향으로 움직이게 됩니다. 이것이 바로 자기화 과정입니다."

연구진은 다이너모와 큰 충돌, 그리고 그 충격파가 결합된 이 조합이 달 표면 암석, 특히 뒷면의 높은 자성을 설명하기에 충분하다고 말합니다. 확실히 알 수 있는 한 가지 방법은 암석에서 충격과 높은 자성의 흔적을 직접 채취하는 것입니다. 이 암석들이 NASA의 아르테미스 프로그램과 같은 탐사 계획이 있는 달 남극 근처, 뒷면에 위치하고 있기 때문에 이 방법이 가능할 수 있습니다.

"수십 년 동안 달의 자기장에 대한 수수께끼가 있었습니다. 충돌 때문일까요, 아니면 발전기 때문일까요?" 오랑은 말합니다. "그리고 우리는 둘 다 조금씩 있다고 말하고 있습니다. 그리고 검증 가능한 가설이라는 점이 좋습니다."

이 팀의 시뮬레이션은 MIT 슈퍼클라우드(SuperCloud)를 사용하여 수행되었습니다. 이 연구는 NASA의 일부 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250523141921.htm