과학자들이 지구 중심부에서 새로운 물질 상태를 발견했습니다.

과학자들은 지구 내핵이 초이온성 고체처럼 행동하며, 탄소 원자가 고체 철 속에서 유체처럼 움직인다는 사실을 발견했습니다. 이 획기적인 발견은 이상한 지진 신호를 설명하고 지구 자기장의 에너지 생성 원리에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다. (사진 제공: Shutterstock)

지구의 용융된 외핵 아래에는 밀도가 높은 중심부인 내핵이 있습니다. 내핵은 철과 가벼운 원소들의 합금으로 이루어진 조밀한 구형 구조로, 330만 기압 이상의 압력에 압축되어 태양 표면과 비슷한 온도로 가열됩니다. 오랫동안 연구자들은 내핵의 특이한 행동을 설명하기 위해 노력해 왔습니다. 내핵은 고체임에도 불구하고 마치 연화된 금속처럼 행동하며, 지진파의 속도를 늦추고 푸아송 비는 강철보다는 버터에 더 가깝습니다. 이러한 역설은 근본적인 질문을 제기합니다. 어떻게 지구의 고체 중심부가 단단하면서도 이상하리만치 유연하게 보일 수 있을까요?

국립과학평론지(National Science Review)에 발표된 중요한 연구는 이에 대한 강력한 설명을 제시합니다. 연구팀은 지구의 내핵이 일반적인 고체처럼 행동하지 않고, 가벼운 원소들이 안정적인 철 골격을 액체처럼 움직이는 초이온 상태로 존재한다고 보고했습니다. 이 발견은 지구 최심층에 대한 우리의 이해를 완전히 바꿔놓습니다.

쓰촨대학교의 장유쥔 교수와 황위첸 박사, 그리고 중국과학원 지구화학연구소의 허위 교수가 공동으로 진행한 이번 연구는 철-탄소 합금이 내핵의 극한 환경에서 초이온상으로 전이됨을 밝혀냈습니다. 이러한 환경에서 탄소 원자는 철 격자를 고속으로 통과하며, 합금의 강성을 크게 감소시킵니다.

"우리는 처음으로 내핵 조건에서 철-탄소 합금이 현저히 낮은 전단 속도를 나타낸다는 것을 실험적으로 입증했습니다."라고 장 교수는 말했습니다. "이 상태에서 탄소 원자는 매우 높은 이동성을 가지며, 마치 아이들이 스퀘어 댄스를 추듯 결정질 철 골격을 통해 확산되는 반면, 철 자체는 고체 상태를 유지하며 질서정연합니다. 이른바 '초이온상'은 합금의 강성을 극적으로 감소시킵니다."

실험적 증거가 기존 예측을 뒷받침합니다

2022년 컴퓨터 시뮬레이션에서는 내핵이 이러한 특이한 형태를 띨 수 있다고 예측했지만, 실험실에서 이를 확인하는 것은 지금까지 어려웠습니다. 하지만 이번 실험에서 연구진은 동적 충격 압축 플랫폼을 사용하여 철-탄소 샘플을 초속 7km로 분사하여 최대 140기가파스칼의 압력과 약 2600켈빈의 온도를 달성함으로써 내핵에서 발견되는 환경과 매우 유사한 조건을 만들어냈습니다.

연구팀은 현장 음속 측정값과 첨단 분자 동역학 시뮬레이션을 결합하여 전단파 속도의 급격한 감소와 푸아송 비의 급격한 증가를 감지했습니다. 이러한 결과는 지구 내부에서 기록된 예상치 못한 약한 지진 특성과 일치합니다. 원자 수준에서 데이터는 탄소 원자가 철의 규칙적인 구조를 자유롭게 이동하면서 격자 붕괴 없이 구조를 약화시키는 것을 보여주었습니다.

지구 역학을 형성하는 초이온 핵

초이온 모델은 오랫동안 지속되어 온 지진 이상 현상을 설명할 뿐만 아니라 지구 내부 과정에 내핵이 어떻게 기여하는지에 대한 이해를 넓혀줍니다. 가벼운 원소들의 움직임은 지진파 속도의 방향 변화인 지진 이방성을 설명할 수 있으며, 지구 자기장을 유지하는 데에도 중요한 역할을 할 수 있습니다.

황 박사는 "내핵 내부의 원자 확산은 지구 자기장의 에너지원으로, 이전에는 간과되었던 부분"이라며, "열과 원소들의 유체와 같은 움직임이 지구 자기장을 움직이는 원동력이 될 수 있다"고 말했다.

이번 연구는 극한 압력 하에서 가벼운 원소들의 거동에 대한 논쟁을 명확히 해줍니다. 이전 연구들은 주로 화합물이나 치환 합금에 초점을 맞췄지만, 이번 연구는 핵의 물리적 특성을 제어하는 ​​데 있어 침입형 고용체(특히 탄소를 포함하는 고용체)의 핵심적인 역할을 강조합니다.

과학자들이 지구 중심을 바라보는 방식의 변화

장 교수에 따르면, 이러한 발견은 과학자들이 내핵을 해석하는 방식에 중대한 변화를 의미합니다. 그는 "우리는 내핵에 대한 정적이고 경직된 모델에서 역동적인 모델로 나아가고 있습니다."라고 설명했습니다.

이러한 발견의 의미는 지구를 넘어 더 넓은 범위에까지 미칩니다. 내핵에서 초이온 상태를 확인하는 것은 다른 암석형 행성과 외계 행성의 자기 및 열 진화에 대한 이해를 증진시키는 데에도 도움이 될 수 있습니다. 장 교수는 "이 숨겨진 물질 상태를 이해하는 것은 지구와 유사한 행성 내부의 비밀을 밝히는 데 한 걸음 더 나아가게 해 줄 것"이라고 말합니다.

본 연구는 중국 국가자연과학기금, 쓰촨성 과학기술 프로그램 및 중국과학원 청년 융합 연구팀의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/12/251209043053.htm