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“지구는 비교적 빨리 형성”…美연구진, 네온 가스로 추정

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▲ 천체 예술가가 그린 원시 행성계 원반의 상상도(CC BY 4.0·ESO/L. Calçada)

45억 년 전쯤, 우리 지구는 비교적 빠르게 형성돼 맨틀 속에 기체와 물을 함유하게 됐다는 추정 결과가 나왔다.

미국 데이비스 캘리포니아대(UC데이비스) 지구·행성과학과 연구진은 갓 만들어진 태양을 둘러싸고 있는 기체와 티끌 입자로 이뤄진 원반 형태의 태양계 성운에서 원시 지구가 어떻게 형성됐는지를 네온 동위원소를 측정해 추정할 수 있었다고 밝혔다.



연구를 주도한 커티스 윌리엄스 박사는 “우리는 지구 맨틀 속 네온이 어디서 어떻게 얻게 됐는지를 이해하기 위해 애쓰고 있다. 이는 지구가 얼마나 빨리, 그리고 어떤 조건에서 형성됐는지를 보여주기 때문”이라면서 “실제로 네온은 물과 이산화탄소, 그리고 질소 같은 기체가 발생했음을 뜻한다”고 말했다.

연구진에 따르면, 네온은 생명에 필수적인 이런 화합물과 달리 비활성 기체이므로, 화학적이고 생물학적인 작용에 영향받지 않는다.

“따라서 네온은 45억 년 뒤에도 어디서 왔는지를 보여주는 것”이라고 연구에 참여한 수조이 무코파디아이 교수는 설명했다.

▲ 아폴로 17호에서 촬영한 지구의 모습(퍼블릭도메인·NASA/Apollo 17 crew; taken by either Harrison Schmitt or Ron Evans)

원시 행성계 원반으로도 불리는 태양계 성운에서 지구가 얼마나 빨리 혹은 얼마나 느리게 형성됐는지, 그리고 어떻게 물이나 다른 기체들이 응축하는 초기 지구에 전달됐는지에 대해서는 세 가지 이론이 제시된다.

첫째는 이번 연구처럼 지구가 200만 년에서 500만 년 사이에 비교적 빠르게 형성돼 초기 태양을 둘러싼 태양계 성운에서 가스를 포획했다는 것이다.

그다음은 더욱 긴 기간 동안 먼지 입자들이 미행성체로 응축된 뒤 행성이 됐다는 것이고, 마지막은 지구가 상대적으로 느리게 형성돼 물과 탄소, 그리고 질소가 풍부한 탄소질의 콘드라이트 운석들에 의해 물과 기체가 전달됐다는 것이다.

지구가 태양계 성운에서 빠르게 형성됐다면 지표면이나 그 근처에 많은 수소 기체를 갖고 있었을 것이다. 하지만 지구가 상대적으로 늦게 형성돼 콘드라이트 운석들이 더 많이 충돌했다면 수소는 산화 형태인 물이 더 많을 것이다.

즉 연구진은 지구 형성과 기체 전달에 관한 세 이론 중 어느 것이 맞는지 알아내기 위해 지구 형성 시 내부 맨틀에 갇힌 네온 동위원소의 비율을 정확하게 측정하려 한 것이었다.

네온 동위원소는 네온-20과 네온-21, 그리고 네온-22이다. 이 세 가지는 모두 안정 동위원소이지만, 네온-21은 우라늄의 방사성 붕괴 과정에서 형성된다. 따라서 지구에 있는 네온-20과 네온-22의 양은 행성이 형성된 이후로 안정돼 왔고 영원히 지속할 것이다. 반면 네온-21은 시간이 지나면서 서서히 늘어난다. 지구 형성을 위한 세 가지 이론은 네온-20과 네온-22의 서로 다른 비율로 예측한다.

연구진은 해저에 있는 침상현무암을 조사하는 것으로 맨틀을 대신했다. 이는 이 유리질 암석이 맨틀에서부터 유출돼 바닷속에서 냉각된 잔재이기 때문이다.

연구진은 침상현무암 속에 있는 작은 거품에서 네온 기체를 발견할 수 있었다. 그리고 질량 분석기를 사용해 네온 동위원소의 비율을 측정했다.

자세한 연구 성과는 세계적 학술지 ‘네이처’ 최신호(5일자)에 실렸다.

윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

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