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[우주의 속삭임(122)] 달 표면서 발견된 유리구슬, 고대 화산 분출로 형성된 '우주의 타임캡슐'
- "보석인가, 화산재인가." 1969년 인류가 처음 달에 발을 디딘 이래 반세기 넘게 정체가 불분명했던 주황색 유리구슬의 기원이 56년 만에 밝혀졌다. 미국 아폴로 탐사대가 수집한 이 미세한 유리구슬은 달의 고대 화산 활동이 남긴 결정체로, 약 33억~36억 년 전 분화 활동의 흔적으로 추정된다고 어스닷컴, 라이브 사이언스 등 외신이 16일(현지시간) 보도했다. 각 구슬의 크기는 1mm미만이고, 33억~36억년 전 분출됐지만 그 안에는 달의 화산 활동 일지가 담겨 있다고 어스 닷컴이 전했다. 최첨단 분석 기술로 50년 만에 내부 성분 첫 정밀 규명 미 항공우주국(나사·NASA)의 아폴로 임무 당시 수거된 이 구슬은 각각 모래알보다도 작으며, 당시 예상됐던 회색 암석과 달먼지를 벗어난 예외적인 샘플로 주목받았다. 겉보기에 보석처럼 빛나는 이 구슬들은 사실상 '화산의 타임캡슐'로, 대기와 풍화작용이 없는 달의 표면에서 원형 그대로 보존되어 왔다. 과학자들은 오랜 기간 이 샘플을 분석하지 못한 채 보관만 해왔다. 당시 기술로는 구슬 내부 구조를 정밀 분석하는 것이 불가능했기 때문이다. 그러나 최근 고에너지 이온빔과 전자현미경 등 첨단 장비를 활용한 비파괴 분석 기술이 진전을 이루면서, 구슬 내부의 광물과 화학 성분을 정밀하게 확인할 수 있게 됐다. 세인트루이스 워싱턴대학과 브라운 대학의 토마스 윌리엄스, 스티븐 파먼, 알베르토 살, 케빈 라이언 오글리오레가 이번 연구에 참여했다. 오글리오레의 연구실에서는 샘플에 이온을 쏘아 한 번에 한 원자씩 조각을 세는 나노심스(NanoSIMS) 장비를 사용했다. 또한 협력 기관의 보완적 현미경과 원자 탐침 단층촬영 시스템이 전체적인 구슬의 그림을 완성했다. 연구팀은 다양한 색과 조성을 가진 유리구슬들이 각기 다른 종류의 화산 분출에서 형성됐음을 확인했다. 대표적으로 주황색 구슬은 고온의 현무암질 용암이 순간적으로 응고되며 형성된 것이며, 검은색 구슬은 보다 깊은 내부의 마그마 성분을 반영한다는 분석이다. 우주비행사들은 1972년 쇼티 크레이터에서 최초의 오렌지색 퇴적물을 발견했고, 연구를 위해 해당 토양을 수 파운드 포장해 지구로 가져왔다. 연구팀에 따르면 주황색 등의 밝은 색상은 달의 다른 곳에서 발견된 어두운 녹색 구슬과 달리 티타늄이 풍부한 마그마를 상징한다. 이들 유리구슬은 약 33억~36억 년 전, 달이 아직 지질학적으로 활발하던 시기의 폭발적인 화산 활동에서 비롯된 것으로 보인다. 대기가 없는 환경에서 분출된 용암 방울이 진공 상태에서 즉시 냉각되며 유리질 형태로 굳어진 것이다. 하와이의 킬라우에아 용암 분출과 유사하지만, 공기가 없는 우주 공간이라는 점에서 근본적인 차이를 보인다. 아폴로 샘플, 태양계 형성과 행성 진화 연구에 기여 기대 이번 연구는 단순한 지질 구조 분석을 넘어, 태양계 초기 행성의 열역학적 진화와 내핵 활동, 그리고 휘발성 원소의 분포에 대한 단서를 제공할 수 있다는 점에서 큰 의의를 지닌다. 어스닷컴에 따르면 수성이나 일부 소행성처럼 대기가 없는 행성과 위성도 달과 비슷한 화산쇄설물 활동이 일어났을 경우 분출된 흔적이 보전된 표면 물질을 가질 수 있다. 달 샘플에서처럼 연구자들에게 향후 화성의 위성이나, 예를 들어 NASA의 소행성 우주 탐사선 오시릭스-렉스가 소행성 베누에서 지구로 귀환시킨 베누의 표토와 같은 다른 임무에서 얻은 샘플을 연구하는 데 있어 기준을 제시할 수 있다는 점에서 의의가 크다. 연구에 참여한 케빈 오글리오레(Kevin R. Ogliore) 교수는 이 구슬들을 "고대 달 화산학자의 일기장을 읽는 것과 같다"고 표현하며, "달 내부의 진화 과정과 그 당시의 조건을 이해하는 데 있어 핵심적 단서가 될 수 있다"고 말했다. 해당 연구는 학술지 이카루스(Icarus)에 게재됐다. 이번 발견은 아폴로 탐사 이후 장기간 보관돼 있던 샘플이, 첨단 분석 기술의 발전을 통해 새로운 과학적 가치를 창출할 수 있음을 보여주는 대표적 사례로 평가된다. 달 표면의 작은 유리구슬 하나하나가 달의 과거는 물론, 태양계의 형성 과정까지도 조망할 수 있는 단서가 될 수 있다는 점에서 향후 추가 연구가 기대된다.
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[우주의 속삭임(122)] 달 표면서 발견된 유리구슬, 고대 화산 분출로 형성된 '우주의 타임캡슐'
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[우주의 속삭임(53)] 달, 비교적 최근까지 화살 활동 있었다
- 달 표면에서 가져온 세 개의 작은 유리 구슬은 달의 화산 활동이 그리 오래전이 아니라는 것을 보여준다는 연구 결과가 나왔다. 중국 국가우주국(CNSA)이 창어 5호 임무에서 가져온 달 샘플에 대한 새로운 분석에 따르면, 발견된 유리 구슬은 불과 1억 2000만 년 전에 발생한 달 화산 활동의 증거로 추정된다. 이는 약 44억~20억 년 전 사이에 활발했던 것으로 알려진 달의 화산 활동이 예상보다 많이 늦게까지(최근까지) 있었음을 말해 준다. 중국과학원 지질 및 지구물리학 연구소의 위양 허 박사는 "창어 5호가 가져온 화산 유리 구슬 3개에 대한 방사성 동위원소 연대 측정 결과, 달에서 약 1억 2000만 년 전에 화산 활동이 있었다는 사실이 드러났다"고 말했다. 그는 "창어 5호 착륙 지점에서 기록된 화산 분출은 약 19억 년의 간격이 있음을 말해 준다. 달의 이런 최근 화산 활동은 달과 같은 작은 천체가 매우 늦은 단계까지 내부 활력을 유지할 수 있는 충분한 열을 유지할 수 있음을 의미한다"고 설명했다. 지난 2020년 말 창어 5호가 지구로 전달한 달 샘플은 소련의 마지막 달 탐사선이 1976년 돌아온 이후 인류가 입수한 첫 달 물질이었다. 전 세계 학자들은 다양한 분석 기술을 사용해 샘플을 연구, 달 지질학과 역사에 대한 새로운 정보와 지식을 얻었다. 샘플이 특히 흥미로웠던 것은 이것이 아주 작은 유리 구슬로 구성되어 있다는 점이었다. 이는 녹아 있던 광물이 강력한 조건에서 다시 유리로 굳어질 때 형성된다. 중국과학원 연구팀은 창어 5호 샘플에서 약 3g의 달 먼지를 걸러냈고, 티스푼 정도의 작은 샘플에서 약 3000개의 유리 구슬을 분리했다. 이 중 대부분은 운석 충돌의 결과였으며, 화산 활동에 의한 입자는 찾아내기 어려웠다. 달은 충격에 취약하고 화산 활동은 거의 없었기 때문이었다. 연구팀은 먼저 후방 산란 전자 이미지를 사용해 운석 충돌의 특징이 없는 약 800개의 유리 구슬을 분리했다. 그 후 전자 프로브 마이크로 분석기를 사용해 분리한 구슬을 분석, 그중 13개의 유리 구슬이 아폴로 화산 유리 구슬과 유사한 원소 구성을 가지고 있음을 밝혔다. 13개 유리 구슬 중 6개는 아폴로 샘플에서 확인된 화산 유리와 동일한 성분인 산화마그네슘-니켈 풍부도 상관관계를 갖고 있었다. 마지막 단계로 연구팀은 2차 이온 질량 분석법을 사용해 유황 동위 원소 분석을 수행했다. 마지막 6개 구슬 중 3개는 화산 활동에 의해 형성된 유리였다. 방사성 연대 측정을 통해 구슬의 연대가 밝혀졌다. 약 1억 2300만 년 전이었으며, 여기에는 1500만 년 내외의 오차가 있을 수 있다. 이는 달이 화산 활동을 한 마지막이라고 알려진 시간보다 훨씬 최근이다. 달은 화산 활동이 일어나기에는 오랫동안 차가웠기 때문에 어떻게 이런 일이 일어났는지 알 수 없지만, 세 개의 구슬에 담긴 화학 물질에서 단서를 찾을 수 있었다. 여기에는 칼륨, 희토류 원소, 인과 같은 원소가 높은 비율로 포함되어 있었다. 이들 원소의 높은 풍부도는 방사성 열의 원천이 될 수 있다. 즉, 방사성 분열로 생성되는 상당한 열이다. 지구 내부 열의 약 절반은 방사성 분열에서 나온다. 달에서는 이론적으로 방사성 열이 국부적인 화산 활동을 일으킬 수 있다. 연구팀은 "20억 년에서 1억 2000만 년 전 사이에 다른 화산 활동이 있었을지에 대한 추가 조사가 필요하다“고 말했다. 한편, 이 연구 결과는 사이언스지에 게재됐다.
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[우주의 속삭임(53)] 달, 비교적 최근까지 화살 활동 있었다
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