달이 기존 예측보다 4천만년이나 더 오래되었다?

최근 Geochemical Perspectives Letters에 발표된 최신 연구 결과에 따르면 달이 기존에 예측하던 것보다 오래되었다고 한다. 보다 구체적으로 기존 예측보다 최소 4천만년이나  더 오래되었다고 한다.

최근 인류는 유인 우주선을 통해서 달에 도달한 적이 없다. 1972년 우주비행사 유진 서난(Eugene Cernan)과 최초의 과학자 우주비행사인 해리슨 슈미트(Harrison Schmitt)가 달에 착륙한 이후로 인류는 달에 가지 않았기 때문이다.

아무리 과학기술이 발전한들 원격 관측을 통해서 해당 천체의 나이를 정확히 가늠하기는 힘들다. 과학자들은 무슨 방법을 통해 달의 나이가 현재까지의 예측보다 더 오래되었음을 알 수 있었을까?

무려 50여년 전의 데이터이다!

서난과 슈미트는 1972년 지질학적으로 다양한 지형을 가진 것으로 알려진 마레 세레니타티스(Mare Serenitatis)의 가장자리에 있는 토러스-리트로우 계곡(Taurus-Littrow Valley)에 착륙했다. 그리고 그들은 총 110.5 kg의 달 암석과 토양, 총 741개의 표본을 수집했다. 샘플에는 현무암, 브레시아, 고지대 지각암 등 달의 세 가지 주요 암석 유형이 포함되어 있었다.

미항공우주국(NASA)의 우주비행사들이 아폴로 시대에 마지막 달 암석을 가지고 돌아온 지 벌써 50여 년이 지난 현재, 과학자들은 1972년에 수집한 바로 이 달의 먼지와 암석을 통해서 달의 수명을 예측했다. 과학자들은 1972년에는 이러한 분석이 불가능했을 것이라고 설명한다.

이들이 복귀한 후 수년에 걸쳐 일정량의 달 샘플이 연구되었다. 하지만, 과학자들은 시간이 지남에 따라 기술이 발전하여 더 나은 통찰력을 얻을 수 있을 것이라고 판단했다. 따라서 분석에는 소수의 샘플만 이용이 되었고, 대부분의 샘플들이 저장되어 미래의 연구자들에게 천천히 공개되고 있었다. 이는 현재의 샘플 리턴 미션에서도 마찬가지로 적용이 된다. 과학자들은 현재의 눈부신 과학기술에도 불구하고 같은 샘플을 통해서도 훗날 더 많은 정보를 있을것이라는 판단하에 이러한 결정을 내린다.  (관련 기사 바로 보러 가기 - "베누의 샘플을 지구로 보내온 오시리스-렉스 탐사선은 현재 무엇을 하고 있을까?")

과학자들은 어떻게 달의 새로운 나이를 발견했을까?

새로운 연구에 따르면 달은 이전에 생각했던 것보다 약 4천만 년 더 오래된 것으로 나타났다. 따라서 달은 약 44억 6천만 년 전에 형성된 것으로 보이며, 이는 달이 태양계가 탄생한 후 처음 1억 1천만 년 이내에 형성된 것을 암시해주고 있다. 참고로 지구의 나이는 45억 년에서 46억 년 사이로 추정된다. 따라서 달의 나이는 여전히 지구보다 훨씬 젊은 셈이다.

과학자들은 지금까지 발견된 것 중 가장 오래된 것으로 여겨지는 표본을 재분석하기 시작했다. 이는 42억 년 된 지르콘이 들어 있는 것으로 알려진 달 샘플이며 72255 결정으로 불린다. 위 분석은 원자 프로브 단층 촬영(APT)이라는 새로운 기술을 기반으로 수행되었다. 원자 프로브 단층은 매우 낮은 농도의 원소 조성을 감지할 수 있으며 해당 구조를 검출할 수 있는 기법으로 보다 작은 구조에서의 시각화와 분석이 가능하다.

지르콘(ZrSiO₄)은 지구상에 존재하는 것으로 알려진 광물 중 가장 오래된 광물이다. 지질학자들은 지르콘이 지구의 형성과 우리가 알고 있는 생명체에 대한 중요한 정보 역시 담고 있다고 말한다. 새로운 연구에 참여한 과학자들은 나노 단위의 공간 해상도를 가진 원자 원자 단층 촬영기를 사용하여 샘플안의 납 클러스터링을 확인했다. 납의 분포는 일반적으로 암석에서 지르콘의 나이를 추정하는 데 사용된다.

연구를 함께 이끈 필립 헥(Phillip Heck)은 이 연구가 51년 전에 수집되어 지구로 가져온 샘플을 대상으로 분석되었다는 점이 매우 인상 깊다고 전한다. 그는 당시에는 원자 탐사 단층 촬영이 아직 개발되지 않았고, 따라서 당시 과학자들은 오늘날 현 인류가 수행하는 하는 분석 방법을 상상하지 못했을 것이라고 한다.

지르콘이 달의 나이와 관련이 있는 이유는?

과학자들은 지구-달 시스템이 형성될 수 있었던 주 이유로 거대 충돌 가설을 주장한다. 아마도 화성 크기였던 테아(Theia)라는 거대한 천체가 지구가 형성될 때 지구와 충돌한 것으로 추정되며, 이 충돌로 인해 파편이 분출되어 우리가 현재 달이라고 부르는 구체가 빠르게 형성되었다고 한다. 달 내부의 구성을 설명하는 달의 마그마 바다 역시 위 충돌로 인해 생성되었다고 예측된다.

이후 달 표면에 후속 폭격이 있었으며, 이는 가장 초기의 지각을 변형시키기 시작했다. 일부는 녹고, 지르콘은 변형되었지만, 또 다른 지르콘은 그대로 또는 보존된 상태로 남겨졌다. 그리고 달 샘플 72255의 결정 알갱이에서 잘 보존된 지르콘을 발견함으로써 달의 나이를 다시 알 수 있었다.

이 연구를 이끈 제니카 그리어는 나노 규모, 심지어 원자 규모의 정보를 담고 있는 위 결과가 달이라는 큰 그림에 대한 질문에 대해서 무엇을 알려줄 수 있는지 보여주는 좋은 예라고 설명했다.

해당 연구 논문 바로 가기  - "4.46 Ga zircons anchor chronology of lunar magma ocean (약 44억 6천만 년 전에 형성된 달의 지르콘, 달의 연대기를 변경시키다)"