지난 2011년 아프리카 사하라 사막에서 발견된 화성 운석인 ‘검은 미인’(Black Beauty: NWA 7034)에서 화성의 지각 형성과 생명체 생성을 추정할 수 있는 새로운 단서가 발견됐다.

액체 마그마 상태의 바다로 이루어졌던 초기 화성의 표면은 태양계가 형성된 지 2000만년 만에 급속하게 결정화되었으며, 그 뒤 단단한 지각이 형성돼 물과 생명체를 가진 바다가 만들어졌다는 것이다.

덴마크 코펜하겐대 연구진이 수행한 이 연구는 과학저널 ‘네이처’(Nature) 27일자에 게재됐다.

지구에서 발견된 화성 운석 가운데 두 번째로 오래된 이 운석은 20억년 전에 생성됐으며, 화성 운석 중 가장 많은 물을 함유하고 있는 것으로 알려져 큰 관심을 모았었다.

‘검은 미인’, 화성의 지각 조각 포함

우리 태양계는 대체로 46억년 전에 형성된 것으로 알려져 있으며, 화성도 이와 비슷한 시기에 생성됐을 것으로 보고 있다. 지구가 형성된 것은 그보다 뒤인 45억년 전쯤이며, 지구 지각은 그 1억년 정도 뒤에 형성되고 최초의 생명체 징후는 단세포 유기체가 나타난 시기인 38억년 전쯤으로 추정하고 있다.

미국 애리조나주립대 린다 엘킨스-탠튼(Linda Elkins-tanton) 연구원은 ‘익스프레스’지 기사에서 ‘많은 연구자들은 화성에서 해양이 형성된 뒤 마그마 바다의 응고화가 1억년 정도 지속됐을 것으로 보고 있으나 이번 연구에서는 그 과정이 화성에서 1000만년 이내에 완결됐다고 본다’고 말했다.

지각 형성은 육지 행성의 발달에서 중요한 단계로 꼽힌다. ‘검은 미인’이 특별하고 가치가 높게 평가되는 이유는 화성 지각의 작은 조각들을 포함하고 있기 때문이다. 더 정확히 말하면 이 운석은 희귀 광물인 지르콘을 포함하고 있고, 연구자들은 지르콘 안에서 고농도의 하프늄을 찾아낸 것. 하프늄은 지르콘 안에 1~4% 정도 포함돼 있고, 지르코늄과 하프늄은 성질이 비슷하지만 하프늄은 중성자를 잘 흡수하는 반면 지르코늄은 중성자를 거의 흡수하지 않는 것으로 알려져 있다.

운석 속 ‘타임 캡슐’인 지르콘 분석해 시간대 확립

논문 교신저자인 코펜하겐대 ‘항성과 행성 형성 연구센터’ 마르틴 비자로(Martin Bizzarro) 교수는 “지르콘은 절대 나이(absolute ages)를 알아내는데 적합한 매우 견고한 광물로 알려져 있다”며, “이런 맥락에서 지르콘은 화성 지각의 형성 역사를 이해할 수 있는 시간체계 확립에 활용할 수 있다”고 말했다.

지르콘은 또한 타임 캡슐과 같아서 어디서 언제 생성되었는지에 대한 환경 정보를 보존하고 있다는 것이다. 이번의 타임 캡슐은 화성의 가장 초기 지각에서 나온 하프늄을 함유한 지르콘으로서, 화성의 지각은 ‘검은 미인’이 포함하고 있는 가장 오래된 지르콘이 생성되기 거의 1억년 전에 존재했다. 따라서 화성은 지구보다 일련의 과정들이 일찍 시작됐고, 지구의 지각은 화성에 비해 한참 후에야 형성됐다는 것이다.

그러나 이 같은 결론에 도달하기 위해서는 어느 정도 용기가 필요했다.

연구를 위해 값비싼 운석을 분쇄

2011년 발견 당시 319.8그램이었던 ‘검은 미인’은 특별한 운석이라는 사실이 명백해지자 값이 껑충 뛰어 그램당 1만달러를 호가했다. 비자로 교수는 1년 전 여러 기관들로부터 자금지원을 받고 덴마크 자연사박물관이 소장하고 있는 운석 일부를 교환해 주는 조건으로 ‘검은 미인’ 44그램을 확보할 수 있었다.

비자로 교수는 “가장 큰 문제는 ‘검은 미인’에 들어있는 지르콘의 양이 매우 적다는 사실이었다”며, “하는 수 없이 용기를 내 귀중한 운석을 분쇄했다”고 밝혔다. 이렇게 분쇄한 운석의 양은 5그램, 5만달러어치.

그는 “지금 와서 생각해 보면 그 전략을 택하기를 잘했다고 본다”며, “분쇄한 화석에서는 7개의 지르콘이 나왔고, 그 중 하나는 화성에서 나온 것 가운데 가장 오래됐다”고 설명했다. 연구팀은 지르콘과 지르콘이 함유한 하프늄을 분석한 결과 화성 표면이 매우 빠르게 결정화되었다는 결론을 내릴 수 있었다.

비자로 교수는 “태양계가 형성된 뒤 2000만년이 지나서 화성은 견고한 지각을 갖게 되었고, 그에 따라 바다가 형성되면서 아마도 생명체가 나타나게 되었을 것”이라고 밝혔다.