금속 행성 수성의 비밀, 쌍둥이 충돌 시나리오로 풀렸다

태양에 가장 가까운 행성 수성은 여전히 수수께끼 같은 존재다. 행성 전체 질량의 70%를 거대한 금속 핵이 차지하고, 그 위를 덮은 암석층은 다른 지구형 행성과 비교할 때 현저히 얇다. 지구, 금성, 화성과 달리 수성은 비정상적으로 높은 금속 비율을 지니고 있다. 지금까지는 대형 천체와의 격렬한 충돌로 외피 대부분이 벗겨졌다는 설명이 널리 받아들여졌다. 그러나 이런 사건은 실제로 발생할 확률이 극히 낮아 설득력이 떨어진다는 지적이 이어졌다.

국제학술지 네이처 애스트로노미(Nature Astronomy)에 발표된 최신 연구는 보다 현실적인 해석을 제시한다. 연구진은 초기 태양계에서 빈번하게 일어났던 비슷한 질량을 가진 원시 행성 간 충돌이 수성의 특이한 구조를 설명할 수 있다고 밝혔다.

시뮬레이션으로 확인된 수성의 구조

연구팀은 스무스드 파티클 유체역학(SPH) 시뮬레이션을 통해 두 원시 행성이 비스듬히 충돌하는 상황을 재현했다. 이 기법은 고체와 유체, 가스를 입자 단위로 모사해 대규모 충돌과 파편화를 정밀하게 계산할 수 있어 천체 형성 연구에 널리 활용된다.

분석 결과, 충돌 후 남은 행성의 질량과 금속 대비 암석 비율은 실제 수성과 거의 일치했다. 오차는 5% 이내였다. 이는 수성이 원래 다른 지구형 행성과 유사한 조성을 가졌으나, 충돌 과정에서 맨틀의 최대 60%를 잃으며 현재처럼 금속 핵 중심의 행성으로 변했음을 보여준다. 연구를 이끈 프랑코 연구원은 “극히 드문 사건을 가정할 필요가 없다”며 “통계적으로 더 개연성 있는 충돌만으로도 수성의 현재 모습을 설명할 수 있다”고 말했다.

충돌 파편의 새로운 역할

연구가 주목받는 또 다른 이유는 충돌로 흩어진 파편의 운명 때문이다. 기존 가설에서는 벗겨진 물질이 다시 행성에 흡수돼 수성과 같은 구조를 유지하기 어려웠다. 하지만 이번 모델은 일부 파편이 궤도를 벗어나 다른 행성에 흡수될 수 있음을 보여준다.

프랑코는 “만약 충돌이 태양 가까운 궤도에서 일어났다면, 떨어져 나온 물질 일부가 금성과 같은 인접 행성에 합쳐졌을 가능성이 있다”고 설명했다. 이는 수성뿐 아니라 초기 태양계에서 행성들이 물질을 주고받으며 진화했음을 시사한다.

이번 연구는 수성이라는 작은 행성의 특이성을 넘어서, 태양계 형성 과정을 이해하는 데 중요한 사례를 제공한다. 초기 태양계는 수많은 원시 행성들이 서로의 궤도를 교란하고 충돌하며 재편되는 격동의 시기였다. 어떤 충돌이 최종적으로 행성의 구조와 진화를 결정했는지 보여주는 실마리가 수성을 통해 드러난 것이다.

연구진은 앞으로 운석의 화학 성분 분석과 유럽우주국(ESA)·일본우주항공연구개발기구(JAXA)가 공동 운영 중인 베피콜롬보(BepiColombo) 탐사선의 자료를 활용해 모델을 검증할 계획이다. 프랑코는 “수성은 태양계에서 가장 덜 탐사된 행성이지만, 앞으로의 연구와 탐사를 통해 그 기원을 더욱 명확히 밝혀낼 수 있을 것”이라며 “수성은 태양계 진화를 이해하는 데 핵심적인 행성”이라고 강조했다.

손동민 기자/ hello@sciencewave.kr

참조 논문: Patrick Franco et al, Formation of Mercury by a grazing giant collision involving similar-mass bodies, Nature Astronomy (2025). DOI: 10.1038/s41550-025-02582-y. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2503.02826

자료: Nature Astronomy  , arXiv