사하라 소금 평원에서 찾아낸 800그램의 장밋빛 타임캡슐

지난 2022년 북아프리카 사하라 사막의 메마른 모래언덕에서 장밋빛을 띤 독특한 암석 하나가 발견되었을 때만 해도, 이 돌덩이가 얼마나 오래된 역사를 품고 있는지, 또 우주의 어느 곳에서 날아왔는지 아는 사람은 아무도 없었다. 그러나 미국 항공우주국(NASA)의 지원을 받은 연구진이 암석 내부의 광물 연대를 정밀 측정한 결과, 무게가 약 800그램에 달하는 이 암석은 무려 41억 년 이전에 형성된 화성의 원시 지각 조각으로 밝혀졌다. 말리의 소금 평원 지명을 따서 '테가자 001(Teghaza 001)'로 명명된 이 암석은 지금까지 지구상에서 발견된 약 435개의 화성 운석 가운데 가장 오래된 태초의 기록을 간직한 표본이다.

미국 남부 캘리포니아에 위치한 NASA 제트추진연구소(JPL)의 양 리우 박사가 이끄는 연구진은 국제 학술지 사이언스(Science)에 테가자 001의 초기 특성을 규명한 연구 결과를 발표하며 화성 고대 지각의 형성 과정을 생생하게 공개했다. 이에 앞서 지난 6월 자매지인 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 게재된 별도의 논문에서는 이 운석이 품고 있는 풍부한 수분 함량을 분석해 초기 화성의 지표면이 물에 의해 어떻게 조각되었는지를 구체적으로 제시한 바 있다. 논문의 제1저자인 양 리우 박사는 암석을 면밀히 들여다본 뒤에야 이 운석이 얼마나 독보적인 가치를 지녔는지 깨달을 수 있었다며, 논문 심사 위원 중 한 명이 이 암석을 두고 고대 문명의 비밀을 풀어낸 '화성의 로제타석'이라 평가했다고 전했다.

기존 고대 운석의 한계를 넘어선 최초의 화성 원시 지각 표본

테가자 001이 기존에 발견된 다른 화성 운석들과 뚜렷하게 구별되는 지점은 독특한 암석 조직과 아득한 연대, 그리고 화산 활동으로 형성된 화성암 광물들의 이례적인 조합이라는 점이다. 테가자 001은 지구에서 발견된 가장 오래된 3대 화성 운석 중 하나로 꼽힌다. 물론 나머지 두 고대 운석 역시 학술적 가치가 매우 높지만, 화성의 초기 지질사를 폭넓게 보여주는 데에는 나름의 한계가 존재했던 것이 사실이다. 예를 들어 테가자 001과 연대가 비슷한 'ALH84001' 운석은 거의 단일 광물로만 구성되어 있어 단편적인 정보만을 제공하며, '블랙 뷰티'라는 별칭으로 유명한 또 다른 운석은 작은 화산암 파편들이 뭉쳐 약 21억 년 전에 형성된 암석이기 때문이다.

반면 테가자 001은 다양한 화성암 광물들이 고스란히 어우러져 있어, 뜨거운 마그마가 식으며 화성의 원시 지각이 만들어진 순간부터 이후 지하수에 의해 암석이 변성되기까지의 일대기를 온전히 들려주는 구조이다. 특히 이 운석의 독특한 광물학적 특성은 NASA의 화성정찰궤도선(MRO)이 상공에서 관측한 화성 남반구 고지대의 충돌구 밀집 지역 성분과 정확히 일치한다. 운석이 화성의 어느 지점에서 튕겨 나왔는지 단정할 수는 없으나, 연구진은 테가자 001의 광물 및 화학 성분과 부합하는 화성 표면의 후보지 13곳을 특정하는 데 성공했다. 제2저자인 NASA 에임스 연구센터의 리 세이퍼 박사는 테가자 001이 인류가 이전에 한 번도 표본을 확보하지 못했던 화성 지각 영역에서 온 첫 번째 실물 조각이라며, 물과 암석의 상호작용은 물론 물을 잃어가던 화성 고대 대기의 흔적까지 기록하고 있는 귀중한 자산이라고 설명했다.

흔한 운석으로 지나칠 뻔한 위기와 지르콘 결정의 발견

소행성 충돌의 충격으로 화성 표면에서 우주로 튕겨 나와 지구 사막이나 설원에 떨어진 화성 운석들은 바이킹 착륙선이나 큐리오시티, 퍼서비어런스 로버가 보내온 현지 데이터와 성분을 대조함으로써 화성 기원임이 입증된다. 흥미로운 사실은 양 리우 박사가 처음 테가자 001의 분석을 의뢰받았을 때, 하마터면 이 세기적 발견의 기회를 그대로 흘려보낼 뻔했다는 점이다.

당시 뉴멕시코대학교 연구진은 행성마다 고유한 지화학적 지문 역할을 하는 산소 동위원소 비율을 분석해 이 암석이 화성에서 왔다는 사실을 이미 확인한 상태였다. 그런데 초기 분류상 테가자 001은 화성 운석 가운데 가장 흔하게 발견되는 '셰르고타이트(shergottite)' 계열로 보였다. 행성 시료 전문가로서 이미 수많은 셰르고타이트를 다루어 본 리우 박사에게는 그다지 새로울 것이 없는 표본처럼 여겨졌던 셈이다. 그러나 혹시나 하는 마음으로 현미경을 들여다본 리우 박사는 이전에 한 번도 본 적 없는 기이한 암석 조직과 희귀한 광물들을 마주하게 되었다. 연구진은 암석 내부에서 형성 당시의 환경 정보를 고스란히 간직해 정밀 연대 측정의 열쇠로 쓰이는 '지르콘(zircon)' 결정을 찾아냈고, 이를 통해 암석이 언제 처음 굳어졌고 언제 물과 만나 변성되었는지를 추적할 결정적 단서를 확보했다.

시료를 녹이지 않고 연대를 읽어내는 혁신적 분석 기법

테가자 001의 정확한 나이를 밝혀내는 데에는 공동 저자인 캘리포니아 공과대학교(Caltech) 프랑수아 티소 교수 연구팀이 개척한 새로운 연대 측정 기법이 결정적인 역할을 했다. 기존의 통상적인 연대 측정법은 암석 시료 전체를 화학 약품에 완전히 녹여 성분을 분석하는 방식이었기 때문에 귀중한 표본이 소실된다는 치명적인 단점이 있었다.

이와 달리 티소 교수 연구팀이 적용한 '국소 루비듐-스트론튬(in-situ rubidium-strontium) 연대 측정법'은 손톱보다도 작은 테가자 001의 박편 표면에 자리 잡은 단일 광물 입자들을 있는 그대로 정밀 타격해 분석하는 방식이다. 이 기술은 분석 속도와 정밀도가 월등히 뛰어날 뿐만 아니라, 화성 운석처럼 희귀한 시료를 파괴하지 않고 온전히 보존해 후속 연구에 활용할 수 있게 해준다. 티소 교수는 현재 전 세계에서 이 같은 방식의 정밀 연대 측정을 수행할 수 있는 연구실은 극소수에 불과하며, 이토록 오래된 화성 운석에 이 기법을 적용한 것은 이번이 사상 최초라고 강조했다. 연구진은 이 분석 기술이 향후 더 많은 화성 운석은 물론 다른 행성이나 위성, 소행성에서 직접 가져올 우주 귀환 시료의 나이를 밝히는 데 폭넓게 쓰일 것으로 내다보고 있다.

41억 년 전의 수성 변성이 증명한 역동적인 초기 화성

마침내 도출된 연대 측정 결과는 연구진에게도 커다란 충격이었다. 테가자 001 암석이 지금으로부터 약 41억 년 전 화성의 물과 접촉하며 화학적 변성을 겪었다는 사실이 확인되었기 때문이다. 물에 의해 변성된 시점이 41억 년 전이라는 것은, 마그마가 식어 이 암석 자체가 처음 만들어진 시기는 그보다도 훨씬 더 오래전인 태양계 극초기였음을 의미한다.

운석 내 광물들의 산소 동위원소와 미세 조직, 화학적 특성이 가리키는 단서들은 초기 화성에 과학자들의 예상보다 훨씬 더 역동적이고 활발한 물 순환계가 작동하고 있었음을 일제히 가리키고 있다. 화성의 물과 암석이 활발하게 상호작용하던 그 시기는 지구에서 최초의 원시 생명체가 탄생을 준비하던 시기와도 맞물려 있어, 고대 화성이 생명체가 서식하기에 우호적인 환경을 갖추었음을 뒷받침하는 강력한 증거가 된다. 올해 발표된 일련의 논문들은 거대한 발견의 시작에 불과하며, 인류가 이제 막 표면을 긁어보기 시작한 이 장밋빛 운석은 앞으로 전 세계 행성과학계가 고대 화성의 비밀을 풀어가는 가장 핵심적인 열쇠가 될 전망이다.