최근 미국 연구진이 목성의 위성 이오(Io)에서 최초로 마그마의 존재를 확인했다는 연구결과를 발표했다. 이오는 1610년 갈릴레이가 발견한 4개의 위성 중 하나다. 목성은 토성과 마찬가지로 위성이 매우 많으며 계속해서 새로이 발견되고 있기 때문에 갈릴레이가 발견한 이 네 개의 위성을 주된 것으로 본다. 그 중에서도 목성과 가장 가까운 궤도를 공전하고 있는 것이 바로 이오다.

이오는 이미 예전부터 화산활동과 마그마의 존재가 예측돼 왔다. 이오의 화산은 지구의 모든 화산이 포함하고 있는 것보다 100배나 많은 용암을 분출해 낼 정도로 태양계에서 가장 활발한 화산활동이 일어나고 있는 곳이기도 하다. 실제로 2001년 2월에는 태양계에서 가장 강력한 화산 분출이 관측된 바도 있다.

이오가 보내는 전기 신호로부터 마그마 존재 확인

화산활동이 일어난다는 것은 행성 표면 아래쪽에 암석이 용융돼 있는 마그마가 존재한다는 것을 예측 가능케 한다. 하지만 그 존재를 직접적으로 증명하게 된 것은 이번이 처음이다. 미국 로스앤젤레스 캘리포니아대(UCLA) 연구진은 과거에 목성 및 그 위성들을 탐사했던 목성 탐사선 갈릴레이호의 탐사 자료를 가지고 연구하던 도중 이와 같은 증거를 발견해냈다.

갈릴레이 호는 1995년부터 2003년 까지 목성과 그 위성들을 탐사했으며 그 중 1999년과 2000년엔 이오에 네 번의 근접비행을 하며 탐사를 진행했다. 갈릴레이 호의 자기계는 당시 이오에서 오는 특이한 신호를 포착해 냈다. 그 신호는 목성의 자기장으로부터 유도된 것이다.

목성은 태양계에서 가장 빠르게 자전하며 강력한 자기장을 가지고 있는 행성으로도 유명하다. 목성의 자기장 크기는 목성의 지름보다 약 210배 크고 태양보다 약 22배나 크다고 알려져 있다. 이 강력한 자기장은 가장 가까이를 공전하고 있는 위성 이오에 영향을 미치기 마련이다.

실제로 이오에서는 목성의 자기장과의 상호작용으로 인해 초고압의 전류가 생산되고 있음이 알려진 바 있다. 갈릴레오 호의 관측자료 분석 결과 이오의 특정 지역에서는 40만 볼트의 초고압 전류가 1조 와트나 생성되고 있다는 것을 확인했던 것이다. 이는 이오에 전류를 유도할만한 물질이 존재한다는 것을 의미한다.

이와 같은 현상은 행성이나 위성에 액체 상태의 물이 존재하는지에 대해 알아볼 때도 이용된다. 이오의 형제위성인 유로파의 경우도 이와 같은 방법을 통해 바다의 존재를 확인했다. 하지만 이오에서 관측되는 전기적 신호는 액체 상태의 물이나 단단한 암석으로부터 유도되는 것이라고 볼 수는 없다. 하지만 액체 상태로 용융돼 있는 암석이라면 가능하다. 암석의 경우 고체상태일 땐 전도성이 높지 않지만 녹았을 때 극적인 변화가 발생하기 때문이다.

즉, 이오가 보낸 신호는 천체 전역에 걸쳐 마그마 바다가 넓게 퍼져 있는 강력한 증거가 된다. 연구진은 추가적인 분석을 통해 이오의 암석 중 최소 20퍼센트는 녹아있을 것이라 추측했다. 또한 이 마그마 바다는 이오의 32~48km정도 두께의 지각 밑에 존재할 것이라는 분석도 내놓았다. 연구진은 마그마 바다가 이오의 암석질 맨틀의 약 10퍼센트를 차지하고 있는 것으로 보인다고 밝혔다.

지구의 마그마가 지각판의 경계 주변에 모여 있는 것과는 달리 이처럼 많은 양이 전역에 걸쳐 분포해 있기 때문에 태양계서 가장 활발한 화산활동을 일으키고 있는 것이다.

목성의 거대한 중력 앞에 요동치는 지각

화산활동은 지구에선 재앙이 되는 현상이지만 외계 천체들에게서는 보기 드문 신비한 현상이다. 금성에 화산이 있을 것으로 추측되지만 짙은 대기로 인해 관측하기가 어렵고 토성의 위성인 타이탄이나 엔셀라두스에 있는 것은 용암이 아닌 얼음을 분출하는 화산이다.

대부분의 천체들은 너무 뜨거워서, 혹은 너무 차가워서 화산활동이 일어날만한 충분한 환경을 조성하고 있지 못한 것이다. 그런데 태양과 지극히 멀리 떨어져 있는 이오는 어떤 이유로 화산활동이 일어나는 것일까.

목성은 ‘태양계의 왕자’라고 불린다. 태양을 제외하고 태양계서 가장 거대한 천체이기 때문이다. 이에 가장 가까이 붙어 돌고 있는 이오는 그 중력으로부터 큰 영향을 받는다. 또한 주변의 형제 위성들에게도 중력의 영향을 받게 된다. 이 불규칙하고 어마어마한 중력은 이오를 요동치게 만든다.

실제 이오는 이러한 상호작용으로 100m정도가 늘어났다 줄어들었다 하는 현상을 반복하게 된다. 이 과정에서 움직이는 암석층은 높은 마찰열을 발생시키고 이는 암석을 녹여 마그마를 만들게 된 것. 이것이 지각의 약한 부분을 뚫고 나오며 화산활동을 일으키는 것이다.

이오의 마그마 바다 발견의 의미는?

이오의 마그마 바다에 대한 연구는 지구를 비롯한 여러 천체들에서 발생했거나 발생할 수 있는 현상들을 설명하는데도 도움이 된다. 특히 이오에 자기장이 없는 것이 마그마 바다 때문이라고 연구진은 추측하고 있다.

자기장은 우주로부터 들어오는 방사선과 같은 고에너지 입자들이 유입되는 것을 막아주기 때문에 생명체가 존재하는 행성이나 인류가 이주할 수 있는 천체를 찾는데 중요한 요소가 된다. 이런 자기장이 생성되는 이유는 일명 ‘다이나모 효과’로 설명된다. 천체가 회전을 하면서 내부에 존재하는 전도성 물질들이 유체운동을 하게 되고, 이는 외부자기장으로부터 유도전류를 형성한다. 그리고 이것이 자기장을 형성한다는 것이다.

하지만 이오의 경우는 목성의 강한 자기장 영향을 받으며 전도성 물질도 가지고 있지만 자기장을 찾아볼 수 없다. 연구진은 그것이 마그마 바다 때문이라고 설명한다. 마그마 바다의 최고온도는 약 1천200℃ 정도로 예측되고 있는데 이것이 대류를 통해 핵의 온도를 낮추기에는 너무 높은 온도라는 것이다.

또한 지옥처럼 뜨거운 마그마 바다는 천체의 생성 초기에 대한 정보를 제공해 줄 수도 있다. 지구나 달은 물론 대부분의 천체들이 과거엔 이오와 같이 마그마 바다를 가지고 있었을 것이라 예상되기 때문이다. 마그마 바다를 존재하게 할 수 있을만한 열원이 제거되거나 차단돼 냉각을 통해 현재와 같은 암석형 천체가 된 것. 그리고 이와 같은 냉각은 현재 지구에서 일어나는 지각변동들을 설명하는 ‘판 구조론’의 지각판을 형성한 계기가 됐다.

즉, 이오의 마그마 바다가 보이는 현상의 특징들을 분석하면 판구조론에 대한 보다 구체적인 이해가 가능해 질 것이라 기대할 수 있다. 또한 이와 같은 연구를 통해 얻어진 정보들은 앞으로 발견될 주목할 만한 천체들에 대해 보다 정확하고 쉽게 정보를 파악할 수 있는 지표가 된다는 데에도 의미가 있다.