지구과학 행성 핵이 식어버린 행성의 마지막 단계― 내부 에너지 소멸이 행성의 운명을 결정하는 방식

핵이 식어버린 행성은 자기장 붕괴, 대기 상실, 지질 활동 정지를 거쳐 ‘죽은 행성’ 단계로 진입한다. 이는 내부 에너지 소멸이 표면과 환경을 연쇄적으로 붕괴시키는 과정이다. 그러나 이러한 행성은 항성계 진화의 흔적을 간직한 우주적 화석으로서 중요한 과학적 가치를 지닌다.

 

 

 

1. 행성 핵의 냉각은 언제 시작되는가: 내부 에너지의 소진 과정

모든 행성은 탄생 순간부터 서서히 식어간다. 행성 내부의 열원은 크게 형성 초기의 충돌 에너지, 방사성 원소 붕괴열, 그리고 핵-맨틀 분화 과정에서 발생한 중력 에너지로 구성된다. 그러나 이 에너지는 영구적이지 않다. 행성의 질량이 작을수록 내부 열을 유지할 중력이 약해 열 방출 속도가 빠르며, 결국 핵(core)은 고체화 단계에 들어선다. 이 시점이 바로 ‘핵이 식기 시작하는 전환점’이다. 특히 암석형 행성의 경우 철-니켈 핵이 액체 상태를 유지해야만 내부 대류가 지속되는데, 냉각이 일정 임계점에 도달하면 대류는 급격히 약화된다. 이는 단순한 온도 변화가 아니라 행성 전체 진화 경로를 바꾸는 구조적 사건이다. 핵 냉각은 지각 활동, 자기장, 대기 유지 능력까지 연쇄적으로 영향을 미치며 행성의 생물학적·물리적 가능성을 동시에 제한한다.

2. 자기장의 붕괴와 대기 상실: 보호막이 사라진 행성

핵이 식어버린 행성에서 가장 먼저 나타나는 변화는 자기장 약화다. 행성 자기장은 액체 금속 핵의 대류로 생성되는 다이너모 작용에 의해 유지되는데, 핵이 고체화되면 이 메커니즘은 사실상 정지한다. 자기장이 사라지면 항성풍과 고에너지 입자가 행성 대기에 직접 충돌하게 된다. 이 과정은 수억~수십억 년에 걸쳐 대기를 점진적으로 침식시키며, 특히 가벼운 수소·헬륨부터 빠르게 유출된다. 화성은 이러한 과정을 가장 잘 보여주는 사례다. 과거에는 액체 핵과 자기장을 가졌던 화성은 핵 냉각 이후 자기장을 잃었고, 그 결과 대기 밀도는 급격히 감소했다. 대기가 얇아지면 표면 압력과 온도가 하락하고, 액체 물은 안정적으로 존재할 수 없게 된다. 즉, 핵 냉각은 단순한 내부 현상이 아니라 행성 표면 환경을 결정적으로 붕괴시키는 요인이다.

3. 지질 활동의 정지와 표면 고착화: ‘죽은 행성’의 형성

핵과 함께 맨틀까지 식어가면 행성 내부의 대류는 사실상 멈춘다. 이는 판구조 운동, 화산 활동, 조산 작용의 종말을 의미한다. 지질 활동이 사라진 행성은 표면이 재생되지 않고, 운석 충돌 흔적과 초기 지형이 그대로 보존된다. 달과 수성은 이러한 ‘지질적으로 죽은 행성’의 전형이다. 표면은 수십억 년 전 상태에 가까운 모습으로 고착되어 있으며, 내부에서 새로운 물질 순환이 일어나지 않는다. 지질 활동의 정지는 탄소 순환과 같은 장기적인 대기 조절 메커니즘을 불가능하게 만들어, 기후 안정성 역시 상실된다. 결국 핵이 식은 행성은 내부-표면-대기가 단절된 정적 시스템으로 전환되며, 변화와 진화가 멈춘 천체가 된다.

4. 항성계 내 최종 운명: 잔존, 포획, 혹은 소멸

핵이 식어버린 행성의 마지막 단계는 반드시 동일하지 않다. 궤도 위치와 항성 활동에 따라 여러 경로가 존재한다. 항성과 가까운 행성은 대기 상실 후 조석력과 복사열로 점차 표면이 파괴될 수 있고, 극단적인 경우 증발 잔해만 남는다. 반대로 외곽 궤도의 냉각된 행성은 ‘동결된 화석 행성’으로 장기간 안정적으로 남는다. 일부는 항성 진화 과정에서 중력 교란을 받아 궤도를 이탈해 떠돌이 행성이 되기도 한다. 이처럼 핵 냉각은 행성의 종말이 아니라, 항성계 내 역할 변화의 출발점이다. 생명 가능성은 사라질 수 있지만, 천문학적 기록물로서의 가치는 오히려 강화된다. 냉각된 행성은 항성계 형성과 진화의 물리적 증거를 보존한 우주적 화석이기 때문이다.