암석형 외행성 내부의 압력·온도 구배에 따른 광물 상전이 모델

암석형 외행성 내부의 압력·온도 구배에 따른 광물 상전이  지구보다 훨씬 높은 압력·온도 조건에서 광물 상전이가 발생한다. 페로브스카이트–포스트-페로브스카이트 구조는 열전도·대류·자기장 생성에 영향을 주며, 이는 대기 유지와 거주 가능성 평가의 핵심이다. 최신 연구는 DFT와 머신러닝으로 상전이를 예측한다.

 

1. 암석형 외행성 내부 조건은 왜 “지구식”이 아닐까

암석형 외행성 내부의 압력·온도 구배에 따른 광물 상전이 모델의 암석형 외행성(rocky exoplanet)의 내부 구조를 연구하는 가장 큰 이유는, 우리가 알고 있는 지구의 내부 물리학이 우주 전체의 보편적 진리인지, 아니면 특정한 초기 조건의 산물인지 확인하는 데 있다. 외행성 탐사는 주로 대기 조성이나 표면 온도, 공전주기 같은 매크로 변수에 치우쳐 왔지만, 최근 연구는 행성 내부의 압력–온도 구배(Pressure–Temperature Gradient, P–T profile)가 행성의 물리적 진화 방향을 결정한다는 사실에 주목한다. 예를 들어, 지구의 맨틀은 약 1,360℃에서 시작해 핵–맨틀 경계부에 이르면 3,000℃에 이른다. 압력 역시 지표에서 1 기압이지만 지구 중심부에서는 약 360 GPa까지 상승한다. 그러나 암석형 외행성은 질량과 반지름 조합에 따라, 거대지구형(super-Earth)의 경우 지표 면에서 이미 수백 GPa 이상으로 시작될 수 있으며, 온도 구배 역시 훨씬 가파른 경향이 보고된다. 특히, 지구에서 광물 상전이가 일어나는 압력은 외행성에서 “표준 조건”이 될 수 있어, 우리가 가진 실험적 암석학 데이터가 그대로 적용되지 않는다. 즉, 외행성의 암석광물학은 행성 규모의 고체물리 실험실과 같다.

2. 압력–온도 구배에 따른 광물 상전이: 페로브스카이트에서 포스트-페로브스카이트까지

암석형 외행성 내부의 압력·온도 구배에 따른 광물 상전이 모델 광물 상전이(mineral phase transition)는 같은 화학 조성을 갖는 결합 구조가 압력과 온도 조건에 따라 바뀌는 현상을 의미한다. 지구 내부에서도 대표적으로 올리빈–스피넬–페로브스카이트로 이어지는 상전이가 발생한다. 그러나 외행성에서는 더욱 극단적인 조건에서, 지구에서 거의 관측되지 않는 포스트-페로브스카이트(post-perovskite) 단계가 광범위하게 나타난다고 예측된다. 포스트-페로브스카이트는 높은 압력에서 매우 강한 층상 구조를 가지며, 열전도 특성이 우수해 맨틀 대류의 형태를 바꿀 수 있다. 이 단계는 핵 주기물질의 열 흐름, 지각 아래의 열 플럭스, 판 운동의 발생 가능성 등 행성과 지질 활동을 통합적으로 바꾸는 핵심 변수다. 즉, 외행성을 분석하려면 단순한 고체지구모델을 사용하는 것이 아니라, “고압 광물 물리학”과 “고온 열역학”에 기반한 새로운 상전이 체계를 도입해야 한다. 최근의 컴퓨터 모델은 1차원 방정식(EOS) + 분자동역학 계산(MD) + 천체모델링을 결합해, 외행성 내부에서 어떤 광물이 지배 구조인지 추론한다. 놀라운 점은 상전이 과정이 단순한 점 형태 임계값이 아니라, 내부 방사 에너지, 방열 구조, 수소·철의 미량 원소 농도에 따라 비선형적으로 움직인다는 것이다.

3. 상전이 모델이 외행성의 자기장 생성과 대기 유지에 미치는 영향

암석형 외행성 내부의 압력·온도 구배에 따른 광물 상전이 모델 행성 내부에서 발생하는 광물 상전이는 단순한 지질학적 호기심을 넘어, 외행성의 거주 가능성(Habitability) 판단에 직결된다. 핵–맨틀 경계부에서의 열전도 특성은 행성의 대류 양상과 연관되며, 대류의 강도는 금속 핵의 열적·화학적 대류를 촉발해 자기장(magnetic field) 생성 여부를 결정한다. 자기장은 항성풍으로부터 대기를 보호하기 때문에, 상전이 모델 분석은 곧 “대기·물·생명 유지 가능성” 평가의 핵심이다. 예컨대, 포스트-페로브스카이트가 광범위하게 형성되는 외행성에서는 고효율 열전달이 발생해 핵의 냉각 속도가 증가하고, 강력한 자기장이 빠르게 형성될 수 있다. 반대로 상전이가 덜 일어나는 행성에서는 핵이 비대류 상태에 머물며 자기장이 약해지거나 아예 형성되지 않을 수 있다. 또, 상전이 단계에서 나타나는 용융곡선의 변화는 맨틀 플룸(plume) 발생 위치를 바꾸고, 지각의 조성이 표준적인 지구식 규산염 구조와 다르게 나타날 가능성을 제기한다. 따라서, 외행성 내부의 P–T 기반 광물 상전이 모델은 대기 유지–수권 형성–표면 화학–생명 가능성까지 연결되는 거대 과학 체계다.

4. 최신 모델링 연구: 양자역학 계산과 머신러닝 결합

암석형 외행성 내부의 압력·온도 구배에 따른 광물 상전이 모델 상전이 모델의 핵심 문제는 실험적으로 재현하기 어렵다는 점이다. 지구에서 구현 가능한 초고압 환경은 수백 GPa에 불과하지만, 거대지구형 외행성의 내부는 최대 수 TPa에 도달할 수 있다. 때문에 최신 연구는 양자역학 기반의 분자동역학 계산(DFT-MD), 열역학 적분(TI), 1차원 행성 내부 구조 방정식(EOS)을 이용한 시뮬레이션 방식을 채택한다. 여기에 최근 등장한 방식은 머신러닝 기반 상전이 예측 모델이다. 비선형 다변수 P–T 환경에서 어떤 결정 구조가 안정적인지를 데이터 기반으로 학습하는 것이다. 이 과정에서 실험 데이터(다이아몬드 앤빌 셀)와 계산 데이터(DFT)가 결합된 하이브리드 데이터셋이 구축되며, 외행성의 질량·반지름 관측값만으로도 내부 상전이를 추정하는 수준까지 연구가 진전되고 있다. 앞으로는 JWST, ELT 등 고감도 관측 장비가 외행성의 질량과 평균 밀도, 내부 조성 등을 더 정밀하게 측정할 것이며, 이를 토대로 “실제 외행성 내부의 광물 구조”를 수십만 개의 시뮬레이션 모델과 비교하는 방식이 표준이 될 것으로 예상된다. 즉, 암석형 외행성 내부의 상전이 모델은 천문학·지질학·물리학이 통합된 초학제적 연구 분야다.