“지구와 달, 1억살 젊다... 행성 충돌로 생겨나”

[라이프114]

“지구와 달, 1억살 젊다... 행성 충돌로 생겨나”

지구가 생성된 것은 태양계가 만들어진지 1억 5천만 년이나 지난 후였다는 새로운 연구 결과가 발표되어 주목을 받고 있다. 이는 45억 3천만 년 전 태양계가 만들어지고 그 후 3천만 년이 지난 뒤 지구가 생성되었다는 기존 학설보다 지구의 나이가 1억 2천만 년이나 젊다는 것을 의미한다고 ABC 뉴스 등이 보도하였다.

이번 연구를 이끈 덴마크 코펜하겐 대학의 타이스 달 박사와 미국 캘리포니아 공과대학의 데이비드 스티븐슨 박사는 지구 맨틀 암석의 텅스텐 동위원소를 연구한 결과 이같은 사실을 알아냈다고 전했다. 지구 표면과 맨틀에서 채취되는 텅스텐 성분은 방사성 물질 하프늄이 붕괴하여 만들어진 것으로 지구 생성 당시 고온으로 철과 암석이 융화된 것과 밀접한 관련이 있다. 기존의 텅스텐 동위원소 연구가 지표면 암석에 한정되었던 것에 반해 이번 연구팀은 맨틀 암석에서 텅스텐 동위원소를 발견, 연구하여 지구의 나이를 새롭게 추정하였다.

연구팀은 태양계 초기에 존재했던 두 개의 행성이 크게 충돌하고 합쳐져 지구와 달이 생성되었다며 이 과정에서 행성들을 구성하고 있던 철과 암석이 융화하게 된 것이라고 덧붙였다. 지구와 달은 화성과 금성 정도 크기의 두 행성이 크게 충돌하면서 생겨난 결과물인 셈. 이번 연구의 자세한 내용은 과학 저널 <지구와 행성 과학 통신> 최신호를 통해 확인할 수 있다. PopNews 2010.06.10

달은 원시지구에서 튕겨져 나간 물질이다?
-하버드대 연구팀 가상실험

태초에 ‘충돌’이 있었다. 45억 년 전 원시지구는 충격적인 경험을 했다. 화성 크기의 행성과 부딪쳐 한 몸이 된 것이다. 철처럼 무거운 물질은 지구 중심부로 모였고, 가벼운 물질은 지구 껍질을 이뤘다. 충돌 이후에도 지구는 빠른 속도로 회전해, 지구 맨틀에 있던 물질이 튕겨나갔다. 이 물질이 다시 뭉쳐진 것이 우리가 보는 달이다.

휘영청 밝은 달이 어떻게 탄생했는지에 대한 새로운 시나리오가 나왔다. 새 시나리오는 이전의 ‘거대충돌설’로 설명하지 못했던 달의 성분까지 설명해주고 있어 주목받고 있다. 마티자 쿡 미국 하버드대 지구행성과학과 교수팀이 컴퓨터 시뮬레이션으로 증명한 이 가설이 23일자 ‘사이언스’에 표지 논문으로 실렸다.

원시지구와 화성 크기의 천체가 부딪쳐 달이 생겼다는 ‘거대충돌설’ 상상도. 두 천체는 충돌 후 완전히 합쳐져 지구가 됐고, 지구 맨틀에서 나온 물질이 달이 됐다. NASA 제공

원시지구에 행성이 부딪친 뒤 남은 행성 파편이 뭉쳐 달이 됐다는 거대충돌설은 아폴로 우주인이 가져온 월석 때문에 설득력을 얻었다. 월석의 동위원소 분석 결과 지구와 달의 나이가 45억 년으로 같고, 산소 동위원소 비율도 비슷해 지구와 달이 ‘어떤 사건’ 때문에 동시에 태어났다는 걸 보여주기 때문이다.

그런데 올해 3월 미국 시카고대 준준 창 박사팀은 월석을 정밀 분석한 뒤 거대충돌에 의문을 제기했다. 월석의 티타늄 동위원소 비율이 지구 맨틀과 거의 같고, 지구와 달의 철 성분이 유사하며 충돌행성의 성분이 드러나지 않는다는 점 때문이었다.

이에 쿡 박사팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 ‘지구와 행성이 충돌해 합쳐진 이후 지구 일부가 달이 됐을 가능성’을 제시했다. 원시지구가 지금과 달리 매우 빠른 속도로 회전해 하루가 24시간이 아니라 2∼3시간 정도라고 가정하면 지구 맨틀에서 원반형 물질이 튕겨나가 응축된 뒤 달이 될수 있다는 것.

시뮬레이션에 따르면 두 행성이 부딪칠 때 충돌행성이 지구 속으로 뚫고 들어가 핵과 융합했고, 지구 껍질을 이루던 비교적 가벼운 물질이 빠른 회전 속도를 이기지 못하고 튕겨 나왔다. 이때 원반형 물질이 응축돼 달이 형성됐다. 달이 이렇게 만들어졌다면 지구와 달의 산소 동위원소 비율이 같고, 달 성분이 지구 맨틀과 유사하다는 것도 설명할 수 있다. 빠르게 돌던 원시지구가 지금의 자전 속도를 갖게 된 것은 태양 중력이 영향을 줬다는 것이 연구진의 설명이다.

최영준 한국천문연구원 연구위원은 “지구와 달의 산소 동위원소 비율이 같다는 것을 설명하기 위해서는 둘이 한 번 정도는 하나였다고 가정해야 하는데 단순히 충돌행성의 잔해가 모여 달이 됐다는 가설은 충분한 설명이 되지 않는다”며 “이번 연구는 거대충돌설을 뒷받침하는 새로운 설명 고리”라고 말했다. /동아사이언스 2012-11-23

달 탄생 ‘대충돌’ 가설 입증 연구 봇물

약 45억년 전 화성 크기의 천체가 원시 지구와 충돌하면서 부서져 나간 파편들이 뭉쳐서 달이 됐다는, 이른바 `대충돌 가설'에 힘을 실어주는 새로운 연구들이 한꺼번에 쏟아져 나오고 있다. 17일자 사이언스지 온라인판에 실린 연구보고서들은 각기 다른 방식으로 충돌설에 남아 있는 의문점들을 설명한다고 스페이스닷컴과 사이언스데일리가 보도했다.

`테이아'로 불리는 천체가 지구와 충돌해 달이 됐다는, 1975년 처음 발표된 대충돌 이론에 따르면 달의 주성분은 테이아의 파편들이지만 아폴로 우주선이 가져온 달 암석 분석 결과 달과 지구의 성분이 같은 것으로 밝혀지면서 도전을 받아왔다. 그러나 사이언스지에 실린 두 연구는 모두 지구와 달이 같은 화학적 조성을 갖게 된 과정을 논리적으로 설명한다. 다만 둘의 논리가 각기 달라 과학자들은 새로운 문제를 떠안게 됐다.

미국 캘리포니아주 마운틴뷰 소재 외계지적생명체탐사(SETI) 연구소와 하버드대 과학자들의 공동 연구는 지구의 자전속도에서 그 답을 찾고 있다. 이들은 달을 만들만한 양의 물질이 떨어져 나가기 위해서는 충돌시 지구의 자전 주기가 2~3시간 정도였어야 한다고 지적했다. 이는 행성이 분해될 만큼 빠른 속도에 육박한 것이다.

그러나 연구진은 당시 태양계가 수많은 충돌이 일상적으로 일어나는 `사격연습장' 같은 공간이었다면서 이로 인해 행성들은 믿을 수 없을 만큼 빠른 속도로 자전하고 있었을 것이라고 주장했다. 이들은 지구의 자전 속도가 이후 느려진 것은 대충돌 이후 지구의 공전 궤도와 달의 공전궤도 사이의 중력 상호작용에 의해 지구의 자전속도에 제동이 걸려 마침내 24시간이 된 것이라고 추정했다.

이들의 가설이 지구 질량의 5~10% 정도인 천체와의 충돌을 가정한데 비해 또 하나의 연구는 비슷한 질량의 행성이 충돌한 상황을 시뮬레이션했다. 사우스웨스트연구소(SwRI) 과학자들은 기존 가설에서 설정됐던 `화성만한 천체'보다 큰 질량의 충돌체를 등장시킨 새로운 모델을 통해 지구와 달이 같은 성분을 갖게 된 과정을 설명한다.

이 모델에 따르면 화성 질량의 4~5배 정도인 천체가 역시 비슷한 질량의 지구와 충돌했을 경우 대칭에 가까운 충돌에 의해 달 구성 물질로 이루어진 원반의 성분이 지구 맨틀층 성분과 극도로 비슷해지는 것으로 나타났다.

한편 스크립스 해양연구소 과학자들은 화성 크기의 천체가 원시 지구와 충돌한 결과로 달이 탄생했음을 입증하는 증거를 발견했다고 네이처지에 발표했다. 이들은 아폴로 우주선이 지구로 가져온 달 암석을 분석한 결과 달이 탄생할 무렵 막대한 양의 물이 끓어 증발한 것으로 나타났다고 밝혔다.

연구진은 달 암석 속의 아연 원소 중 무거운 동위원소가 지구에 비해 약간 많은 것으로 나타났으며 이는 충돌로 인해 일어난 암석 성분 파편 구름에서 무거운 아연 원자가 가벼운 원자보다 빠르게 농축됐고 나머지는 농축되기 전에 증발했기 때문이라고 설명했다. 학자들은 대충돌이 비록 45억년 전에 일어난 사건이긴 하지만 언젠가는 수많은 연구가 합쳐져 실제 상황을 알 수 있게 될 것으로 본다. 2012-10-18