December 10,2019

물은 달에서 어떤 형태로 존재하나

“광물 속에 이동하지 않는 형태로 광범위하게 퍼져”

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달에도 물이 있다. 그러나 액체상태의 물은 태양 방사선을 받으면 광분해 반응으로 사라져 버려 강물처럼 흐르는 물은 존재할 수가 없다.

두 개의 달 탐사 자료에 대한 새로운 분석에 따르면 달의 물은 표면 전체에 널리 분포돼 있으며, 특별한 지역이나 지형 유형에 국한되지 않는다는 증거가 발견됐다. 또 이 물은 밤낮과 상관 없이 존재하는 것으로 보이지만 반드시 쉽게 접근할 수 있지는 않은 것으로 나타났다.

이번 연구 결과는 달 연구자들이 달에 있는 물의 기원과 이 물을 어떻게 자원으로 용이하게 쓸 수 있는지를 이해하는데 도움을 줄 것으로 보인다. 만약 달에 충분한 물이 있고 손쉽게 접근할 수 있다면 미래의 달 탐사자들은 이를 음료수로 사용하거나 로켓 연료용 수소나 산소 또는 호흡용 산소로 전환시킬 수 있을 것이다. 이 연구는 과학저널 ‘네이처 지구과학’(Nature Geoscience)에 발표됐다.

달에 충분한 물이 있고 접근하기가 편리하다면 미래의 탐사자들은 이를 자원으로 사용할 수 있을 것이다.  CREDIT: NASA's Goddard Space Flight Center

달에 충분한 물이 있고 접근하기가 편리하다면 미래의 탐사자들은 이를 자원으로 사용할 수 있을 것이다. CREDIT: NASA’s Goddard Space Flight Center

달에 있는 물은 사방에 산재”

논문 저자인 미국 콜로라도주 볼더의 우주과학연구소(Space Science Institute) 선임연구원인 조슈아 밴드필드(Joshua Bandfield) 박사는 “달에서 물을 가리키는 신호는 항상 존재하는 것으로 나타나기 때문에 하루 중 어느 시간대에 어느 위도로 관찰해야 하는지는 별로 중요하지 않다는 사실을 발견했다”며, “달에 있는 물은 달 표면의 구성에 의존하지 않고 사방에 달라붙어 있는 것으로 보인다”고 말했다.

이 연구 결과는 몇몇 이전의 연구들과 배치된다. 이전의 연구들에서는 달의 극지방에서 더 많은 물이 검출되었고, 물을 가리키는 신호의 세기는 달이 지구를 한바퀴 도는 음력날짜(29.5일)에 따라 달라진다는 의견을 제시했다. 이 의견들을 종합해 보면 물 분자들이 달 표면을 ‘뛰어서(hop)’ 달의 남극과 북극 근처 어두운 분화구에 있는 콜드 트랩(cold trap)에 들어간다는 이론이다. 행성과학에서 콜드 트랩은 매우 추운 곳으로서 표면과 접촉하는 수증기와 다른 휘발성 물질들은 장기간, 아마도 수십억년 동안 여기에서 안정되게 유지되는 것으로 보인다.

달의 극지 편심 궤도를 도는 로봇위성인 LRO 일러스트. CREDIT: Wikimedia Commons / NASA

달의 극지 편심 궤도를 도는 로봇위성인 LRO 일러스트. CREDIT: Wikimedia Commons / NASA

새 온도모델로 위성 측정 자료 분석

논쟁이 계속되는 것은 지금까지 물을 탐지한 세부 요소들이 달랐기 때문이다. 주된 증거는 달 표면에서 반사되는 햇빛의 강도를 측정한 원격 탐사 계측기에서 나온 것이다. 물이 존재할 때 이 같은 도구들은 3마이크로미터 근처 파장에서 분광 지문을 잡아낸다. 이 위치는 가시광선을 넘어 있는 적외선 영역이다.

그러나 달의 표면 또한 스펙트럼의 적외선 영역에서 ‘빛나거나’(glow) 혹은 빛을 방출할 만큼 뜨거워질 수 있다. 문제 해결의 열쇠는 반사된 빛과 방출된 빛의 혼합물을 구분해내는 것이다. 두 가지를 갈라놓기 위해서는 매우 정확한 온도 정보가 필요하다.

밴드필드 박사팀은 NASA의 달 정찰 궤도위성(LRO) 장비(Diviner)로 측정한 수치를 이용해 정교한 모델을 만들어 온도 정보를 통합하는 새로운 방법을 제시했다. 연구팀은 이 온도 모델을 달 광물학 매퍼(Moon Mineralogy Mapper)가 이전에 수집한 자료에 적용했다. 이 매퍼는 가시광선 및 적외선 분광기로 NASA의 제트추진연구소가 인도의 궤도위성 찬드라얀1호에 제공한 것이다.

LRO의 레이저 고도계로 측정한 달의 지형도 CREDIT: Wikimedia Commons / Mark A. Wieczorek

LRO의 레이저 고도계로 측정한 달의 지형도 CREDIT: Wikimedia Commons / Mark A. Wieczorek

달의 물은 OH 형태로 광물 속에 존재”

달에서 물이 널리 퍼져있고 상대적으로 움직이지 않는다는 새로운 발견은 물이 H2O에 비해 반응성이 상대적으로 더 큰, 산소원자 1개와 수소원자 1개로 이루어진 OH로 주로 존재한다는 점을 시사한다. 수산기로도 불리는 OH는 오랫동안 그 자체로 머물러있지 않고 분자들을 공격하거나 화학적으로 분자들에 달라붙는 성향이 있다. 따라서 이런 OH를 활용하기 위해서는 광물에서 추출해 내야 한다.

이 연구는 또한 달에 존재하는 모든 물이 표면에 느슨하게 붙어있지 않다는 사실을 제시한다.

미 텍서스주 남서연구소(Southwest Research Institute)의 표면 특성 전문가인 마이클 포스턴(Michael J. Poston) 박사는 “표면에 있는 물과 OH가 얼마나 이동성이 있는지에 대해 한계를 설정하면 얼마나 많은 물이 달 극지방의 콜드 트랩에 도달할 수 있는지를 한정할 수 있다”고 말했다.

인간이 달에 건설하는 미래의 달 기지 모습 상상도.  CREDIT: Wikimedia Commons / NASA/SAIC/Pat Rawlings

인간이 달에 건설하는 미래의 달 기지 모습 상상도. CREDIT: Wikimedia Commons / NASA/SAIC/Pat Rawlings

달에 있는 물의 근원에 대해서는 토의 계속돼

달에서 일어나는 일을 잘 정리하면 연구자들이 태양계 전체의 다른 암석체에서 물의 원천이 어디에 있고 장기 저장은 어떻게 이루어지는지를 이해하는데 도움을 줄 수 있다.

연구원들은 이번 발견이 달에서의 물의 근원에 대해 무엇을 말해주고 있는지를 계속 토의 중이다. 이번 연구 결과는 태양풍이 달 표면에 충돌함으로써 OH나 H2O가 생성된다는 생각을 갖게 한다. 그러나 연구팀은 OH나 H2O가 달 자체 즉, 달이 형성된 이래 내부 깊숙한 곳에 잠겨있는 광물들로부터 천천히 방출될 수 있다는 사실도 배제하지 않고 있다.

NASA 고다드 우주비행센터 LRO 프로젝트 과학자인 존 켈러(John Keller) 박사는 “이러한 과학적 문제 가운데 일부는 매우 어려워서 다양한 임무를 수행하는 여러 자원들을 활용해야만 해답에 근접할 수 있다”고 말했다.

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