[이광식의 천문학+] 철 운석은 초기 태양계 혼돈을 증명한다

과거 금속성 소행성의 속심이었던 철 운석을 분석한 새로운 연구에 따르면, 태양이 형성된 직후 780만년에서 1170만년 사이에 소행성과 행성들이 끊임없이 충돌하는 거대한 난장판이 벌어졌다. 

국제 연구 팀은 지구에서 발견된 18개의 철 운석에서 그 모천체의 진화를 더 잘 이해하기 위해 라팔듐, 은, 백금의 동위원소를 분석했다. 금속성 소행성은 조밀한 철 속심을 포함하고 있으며, 철 운석은 다른 소행성과 충돌하여 폭발한 소행성의 속심에서 유래한 것이다. 

팔라듐 107은 방사선 붕괴를 일으켜반감기가 650만년인 은 107로 변한다. 질량 분석기로 두 동위원소의 상대적 존재비를 측정한 이전의 측정에서는 운석의 일부였던 소행성 핵이 빠르게 냉각되었음이 밝혀졌다. 문제는 이러한 급속 냉각이 언제 발생했는가하는 점이다.

 시기의 폭을 좁히기 위해 취리히 연방공과대학의 선임 연구원인 앨리슨 헌트와 스위스의 국립 행성연구역량센터가 이끄는 연구팀은 질량 분석기 프로세스를 개선한 후, 운석이 우주를 여행하는 동안 충돌하는 우주선으로부터 백금의 동위원소를 검색했다.

 헌트는 성명에서 "백금 동위원소 존재비에 대한 추가 측정을 통해 왜곡된 샘플의 은 동위원소 측정을 수정할 수 있었다"라고 밝히면서 "그래서 우리는 그 어느 때보다 더 정확하게 충돌 시점을 측정할 수 있었다"고 덧붙였다. 

헌트 팀이 결정한 시기는 태양계 형성 후 780만에서 1,170만 년 사이였다. 다른 운석을 조사하면 연대가 더 길어질 수 있지만, 45억 년 태양계의 역사에 비추어볼 때 이는 비교적 짧은 기간이다. 

이 발견은 초기 태양계가 극도로 혼란스러웠음을 시사한다. 행성은 아직 완전히 형성되지 않았으며, 소행성과 원시행성은 쉼없이 충돌함으로써 일부 큰 소행성에서 규산염 맨틀이 벗겨져 금속 코어를 우주에 노출시켰고, 뒤이은 충돌이 코어를 부수기 전에 빠르게 냉각되었을 것임을 시사한다. 

​"그 당시에는 모든 것이 서로 뒤얽혀 결렬한 충돌을 빚었을 것으로 보인다"라고 헌트가 말했다.

​이 혼돈을 불러온 것은 태양을 형성한 가스 구름인 태양 성운의 소멸과 크게 관련이 있다고 헌트 팀은 생각한다. 성운이 소멸되면서 구름의 잔해가 젊은 별 주위의 원반에 정착했다. 가스가 냉각되면서 먼지와 얼음이 응결되었고, 강착이라는 과정을 통해 오늘날 우리에게 친숙한 행성, 소행성, 혜성으로 축적되었다. 

그러나 행성이 뭉쳐질 수 있는 시간은 한정되어 있었다. 태양이 점차 켜지면서 태양풍이 태양 성운의 잔해를 외부 공간으로 날려버리기 시작했기 때문이다. 젊은 행성들은 가스와의 마찰로 인해 궤를 도는 속도가 느려졌다. 행성체를 억제할 가스가 없었기 때문에 행성의 빠른 공전속도로 인해 충돌의 소용돌이로 이어지는 혼돈의 기간이 있었음에 틀림없다고 연구원들은 설명한다. 

그러나 같은 시기에 일어난 다른 사건들도 혼란에 일조했을 수 있다는 지적도 있다. 거대 가스 행성, 특히 목성과 토성은 초기 태양계 무렵 안쪽으로 이주해왔으며, 그들 중력의 영향으로 인해 보다 작은 천체들의 궤도가 붕괴되어 소행성대와 카이퍼대를 형성했다.​

특히 '거대한 압정(Grand Tack)'으로 알려진 한 모델은 목성이 현재 위치로 다시 이동하기 전, 토성의 중력이 목성에 영향을 주어 오늘날 화성처럼 태양에 가깝게 안쪽으로 이동했다고 주장한다. '거대한 압정' 모델은 이 사건이 태양계 역사가 시작된 후 1천만 년 이내에 일어났을 것이라고 예측한다. 

그러나 45억 년 전에 일어난 일을 증명하는 것은 어려운 일이지만, 철 운석을 생성한 소행성의 운명을 다룬 이 새로운 연구는 초기 태양계가 얼마나 폭력적인 장소일 수 있었는지에 대한 새로운 증거를 제공한다. 

올해 말 발사 예정인 NASA의 프시케 미션이 2026년 금속 소행성 프시케(16 Psyche)에 도착하면 이에 관해 더 많은 정보가 밝혀질 수 있을 것으로 보인다. 

이 연구는 네이처 천문학 저널 온라인판에 5월 23일 발표되었다. 

이광식 과학 칼럼니스트 joand999@naver.com