태양계에서 화산 활동이 매우 활발한 천체 중 하나인 목성의 위성 이오(Io)가 형성 초기인 45억7천만 년 전부터 현재 수준의 화산 활동을 유지하고 있다는 연구 결과가 나왔다.

미국 캘리포니아공대(Caltech) 캐서린 드 클리어 교수팀은 19일 과학 저널 사이언스(Science)에서 이오의 희박한 대기 중 기체를 관측, 황(S)과 염소(Cl) 함유 분자의 안정적인 동위원소들의 비율을 분석, 이 같은 결론을 얻었다고 밝혔다.

목성 주위 갈릴레이 위성 중 목성에 가장 가까운 이오는 목성의 거대한 중력을 받는 데다 다른 위성 가니메데와 유로파의 힘을 동시에 받는다. 이로 인한 내부 마찰과 열로 화산 활동이 활발하고 표면에 용암이 흐르는 모습이 관측된다. 그러나 이오에서 얼마나 오랫동안 이런 광범위한 화산 활동이 일어나고 있는지는 아직 완전히 밝혀지지 않았다.

연구팀은 이오 표면은 화산 활동으로 끊임없이 변하고 있어 수백만년 정도의 지질학적 역사 기록만 남아있다며 대신 대기 중 휘발성 원소의 안정적인 동위원소들을 측정하면 이오의 화산 역사에 대한 정보를 얻을 수 있다고 말했다. 황과 염소 등 이오의 휘발성 화학 원소들의 동위원소 구성을 보면 화산활동으로 인한 가스 배출과 질량 손실의 역사를 파악할 수 있다는 것이다.

연구팀은 이 연구에서 칠레에 있는 세계 최대 전파망원경 아타카마 대형 밀리미터·서브밀리미터 집합체(ALMA)를 사용해 이오의 희박한 대기 중 기체를 관찰하고, 기체 분자(SO₂, SO, NaCl, KCl) 속의 안정적인 황(S-32, S-34)과 염소(Cl-35, Cl-37) 동위원소를 측정했다.

그 결과 화산 활동으로 이오 내부와 대기에서 물질이 계속 재활용되는 가운데 대기 상부에서 가벼운 동위원소들이 계속 손실되면서 황과 염소 동위원소 가운데 무거운 동위원소의 비율이 태양계 평균값에 비해 크게 높아진 것으로 나타났다.

연구팀은 황 동위원소 비율(S-34/S-32)과 염소 동위원소 비율(Cl-37/Cl35) 분석 결과 이들 원소가 오랜 화산활동에서 배출과 재활용 과정을 거치면서 처음 있던 양의 94~97%가 사라진 것으로 나타났다고 밝혔다. 또 이 결과는 이오가 45억7천만년 전 형성된 이후 역사 대부분 또는 전체에 걸쳐 현재 수준의 화산 활동을 유지해왔으며 초기에는 가스 배출과 질량 손실률이 더 높았을 가능성이 있음을 나타낸다고 설명했다.

◆ 출처 : Science, Katherine de Kleer et al., 'Isotopic evidence of long-lived volcanism on Io', www.science.org/doi/10.1126/science.adj0625