“달, 예상보다 천천히 냉각됐다”

중국의 달 탐사선 창이 5호가 가져온 암석 표본 분석

중국 과학자들이 창이 5호가 달에서 가져온 암석 표본을 분석한 결과, 달이 지금까지 생각해 왔던 것과는 다른 열적·화학적 진화 과정을 거쳤던 것으로 밝혀졌다.

달 표면에서 채취한 현무암의 일종인 이 화산암 표본은 직접 연대를 측정한 것 가운데 가장 최근의 것으로, 약 20억 년 전에 생성된 것으로 확인됐다. 이 현무암을 분석하면 달의 구성과 수분 함량이 시간이 지남에 따라 어떻게 변화했는지 알 수 있으며, 이는 달의 지질학적 및 지화학적 진화를 이해하는 데 도움이 될 수 있다.

이번 연구는 과학 저널 ‘네이처’(Nature) 19일 자에 세 편의 논문으로 발표됐다.

발사된 뒤 CZ-5 로켓을 분리하는 중국의 창이5호 달 탐사선 © WikiCommons / China News Service

창이 5호가 가져온 달 표본 분석, 3편의 논문으로 발표

지난 해 11월 23일 중국 하이난 섬 웬창 우주기지에서 발사된 무인 달 탐사선 창이5호(嫦娥五号)는 12월 17일 약 1.73kg의 달 물질을 채취해 지구로 귀환했다. 이는 미국 아폴로 계획과 소련의 루나 달 탐사 임무를 통해 달 물질을 지구로 가져온 지 40여 년 만에 이뤄진 세 번째 성과다.

창이5호의 달 착륙 지점은 조성 연대가 가장 ‘젊은’ 어두운(mare) 현무암 지대 중 한 곳으로, 화산 폭발에 의해 형성된 것으로 알려진다. 이 화산암들을 분석하면 여기에 기록된 달의 열적(thermal), 화학적 진화 역사를 알 수 있다.

이전의 달 표본에 대한 방사성 탄소연대 측정 결과는 대부분의 달 화산 활동이 약 29억~28억 년 전에 중단된 것으로 나타났었다.

행성 표면의 나이를 계산하는 다른 방법인 분화구-계산 연대(crater-counting chronology) 측정으로는 30억~10억 년 전 사이에 달의 화산 활동이 있었을 것으로 예측되는데, 이는 달의 화산 활동이 이전에 생각했던 것보다 더 오랫동안 지속됐을 수 있음을 시사한다. 그러나 이 방법은 보정(calibration)을 해볼 수 있는 회수된 표본이 없기 때문에 불확실성이 큰 것으로 보고 있다.

달 ‘폭풍의 바다’ 서안에서 지각 활동이 있었을 때를 상상해 그린 그림 © NASA/Colorado School of Mines/MIT/JPL/GSFC

“달의 화산 활동, 8억~9억 년 더 오래 지속돼”

그럼에도 불구하고 중국과학원 지리학 및 지구물리학 연구소(IGG) 리 샹화(LI Xianhua) 박사팀은 이번에 가져온 달 표본 분석을 통해 이 표본이 20억 3000만 년 전 것이며, 따라서 달의 화산 활동이 이전에 생각했던 것보다 8억~9억 년 더 오래 지속됐고, 이는 달의 내부가 약 20억 년 전에도 여전히 진화하고 있었음을 나타낸다고 보고했다.

리 박사팀이 추정한 현무암의 연대는 정확도 높게 측정됐고, 같은 지역에서 나온 표본에 대한 최근의 분석보다 더 오래된 것으로 기록됐다.

리 박사는 “이번 발견은 달의 내부가 계속 진화하고 있던 시간을 약 40억 년 전에서 20억 년 전으로 앞당겼다”고 밝혔다. 달 현무암의 이 새로운 연대는 또한 분화구-계산 연대 모델을 잘 보정함으로써 태양계 안 다른 행성 표면의 나이를 측정하는데 사용될 수 있을 것으로 보고 있다.

2021년 9월 중국 에어쇼에서 전시된, 창이5호가 달에서 채취해 온 토양 표본 © WikiCommons / China News Service

“달의 열적 진화에 대한 새로운 모델 탐구에 기여”

‘네이처’ 지의 두 번째 논문에서는 IGG의 후 센(HU Sen) 박사팀이 현무암 표본의 물 조성을 분석해 발표했다. 달 내부의 물 분포는 화산 활동이 얼마나 오랫동안 지속됐는지와 함께, 맨틀 형성과 화산 활동을 일으킨 과정에 대한 단서를 포착할 수 있다.

연구팀은 창이 5호가 가져온 20억 년 된 현무암의 모 마그마(parent magma)가 40억~28억 년 전에 분출된 더 오래된 화산 지역의 현무암 표본들보다 더 적은 양의 물을 함유하고 있음을 보여주었다.

이들은, 더 젊은 현무암의 모 마그마가 장기간 지속된 화산 활동 중에 탈수됐고, 이는 달의 화산 활동이 적어도 20억 년 전까지 지속됐다는 개념과 일치한다고 제안했다.

리 박사와 후 박사팀 그리고 양 웨이(YANG Wei) 박사팀은 또한 ‘젊은’ 현무암의 원천이 예상보다 낮은 수준의 열 생성 요소들을 포함하고 있는 것으로 보인다고 밝혔다.

이 발견은 달이 이전에 생각했던 것보다 더 천천히 냉각돼 맨틀 역학에 영향을 미쳤음을 가리킨다. 양 박사팀의 이런 연구 결과는 달의 열적 진화에 대한 새로운 모델을 탐구하는 기초를 제공할 것으로 보고 있다.

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