미국과 프랑스의 우주과학 연구진이 화성에서 '대기 스퍼터링(atmospheric sputtering)' 현상을 사상 처음으로 직접 관측했다. 이는 화성 초기 존재했던 물이 사라진 이유에 대한 답이 될 수 있어 주목받고 있다.

미국 항공우주국(나사·NASA)은 29일(현지시간) 공식 홈페이지를 통해, 화성탐사선 '메이븐(MAVEN)'이 10년에 걸쳐 수집한 데이터를 분석한 결과, 태양풍에 의해 화성 대기가 우주로 탈출하는 스퍼터링 과정을 처음으로 실시간 확인했다고 발표했다. 

연구진은 화성 상공 약 350km 지점의 아르곤(Ar) 밀도가 태양풍의 방향과 전기장 변화에 따라 달라지는 반면, 지표면 근처에서는 아르곤 밀도가 거의 일정하게 유지된다는 사실을 포착했다. 이 같은 고도별 차이는 고에너지 태양풍 입자가 화성 대기 분자에 충돌해 우주로 날려 보내는 스퍼터링 현상이 실제로 일어나고 있음을 뒷받침하는 결정적 단서로 해석됐다.

스퍼터링은 행성 자기장이 약하거나 없을 경우 태양풍에 포함된 이온이 대기 입자를 직접 때려 우주로 방출시키는 현상이다. 자기장이 지구처럼 강하게 형성되지 않은 화성은 이 같은 대기 손실 메커니즘에 매우 취약하다.

콜로라도 볼더 대학교 대기 및 우주 물리학 연구소의 MAVEN 수석 연구원이자 이 연구의 주저자인 섀넌 커리 박사는 화성 대기 스퍼터링 현상에 대 "수영장에서 대포알을 던지는 것과 같다"고 비유했다. 그는 "이 경우 대포알은 무거운 이온이 대기에 매우 빠르게 충돌하여 중성 원자와 분자를 튀기는 것"이라고 설명했다.

특히 연구진은 태양 폭풍이 발생할 때 대기 중 아르곤 밀도 차이가 더욱 뚜렷해졌다는 점에 주목했다. 고고도에서는 가벼운 아르곤 동위원소가 사라지고, 무거운 동위원소만 남는 경향이 지속적으로 관측됐다. 이는 현재 시점에서도 화성에서 스퍼터링이 활발하게 일어나고 있다는 것을 의미한다.

이번 연구는 스퍼터링이 화성의 기온 저하와 건조한 환경, 나아가 표면 물 손실에 결정적 역할을 했다는 기존 가설을 뒷받침하는 과학적 증거로 평가된다.

연구진은 이를 입증하기 위해 메이븐 탐사선에 탑재된 태양풍 이온 분석기, 자력계, 중성 가스 및 이온 질량 분석기 등 3가지 계측 장비를 활용해, 화성의 낮과 밤, 고·저고도 전 구간에서 동시에 정밀 측정을 수행했다. 이러한 관측은 몇 년에 걸쳐 진행됐으며, 다양한 조건에서 데이터를 확보해 정확성을 높였다.

수집된 데이터로 과학자들은 태양풍과 스퍼터링의 관계를 정밀하게 반영한 아르곤 분포 지도를 새롭게 제작했다. 이 지도는 고에너지 입자가 어디서 대기와 충돌해 아르곤을 탈출시키는지를 정확히 보여준다. 특히 스퍼터링 속도는 이전 예측보다 4배 빠르게 진행 중이며, 태양 폭풍 시기에는 그 속도가 더욱 가속화되는 것으로 나타났다.

커리 박사는 "이번 결과는 스퍼터링이 화성 대기 손실과 물의 역사에 중대한 영향을 끼쳤음을 보여준다"며, "초기 화성은 지금보다 훨씬 강한 자외선에 노출돼 있어 스퍼터링도 훨씬 격렬하게 일어났을 가능성이 크다"고 설명했다.

연구진은 "이 같은 대기 손실이 누적되면서 화성 표면의 물과 대기가 오랜 시간에 걸쳐 소실됐을 것"이라고 덧붙였다.

NASA는 "이 연구는 과거 화성의 물 존재 가능성과 거주 환경 조건을 이해하는 데 핵심적인 자료가 될 것"이라고 평가했다.

이번 성과는 국제학술지 사이언스 어드밴스(Science Advances)에 게재됐다.