46억년 된 운석이 밝혀준 지구의 ‘다른 층 형성’ 비밀 [아하! 우주]

과학자들은 지금까지 발견된 가장 오래된 우주암석 중 하나를 분석한 결과, 이 데이터는 행성이 탄생하는 초기 단계의 태양계에 대한 비밀을 밝힐 수 있을 뿐만 아니라, 과학자들이 지구에 떨어진 가장 오래된 운석의 연대를 더욱 정밀하게 결정하는 데 기여할 수 있을 것으로 밝혀졌다. 

녹색 결정으로 뒤덮인 에르그 체흐 002 운석은 2020년 알제리 사하라 사막 에르그 체흐 지역에서 발견된 약 46억년 된 운석으로 현재까지 알려진 것 중 가장 오래된 안산암질 아콘드라이트이다.

이와 같은 운석은 원시 태양 주위의 가스와 먼지 원반 물질로 형성된 것으로 믿어진다. 이 '태양계 성운'의 차갑고 조밀한 부분이 붕괴되어 행성이 탄생했지만, 남은 물질은 혜성과 소행성을 형성했으며, 소행성으로부터 떨어져나간 조각들은 종종 운석의 형태로 지구 표면까지 도달했다. 이는 운석이 행성의 구성 요소를 파악하는 역할을 할 수 있음을 의미한다.

에르크 체흐 002는 형성 당시 방사성 동위원소인 알루미늄-26을 함유하고 있었는데, 이 불안정한 형태의 알루미늄은 소위 '행성 용해'라고 불리는 지구 진화의 후기단계에서 중요하다고 믿어지기 때문에 과학자들이 특히 주목하는 원소이다.

호주 캔버라의 호주국립대(ANU) 에브게니 크레스티아니노프 연구원(박사과정)팀은 에르그 체흐 002를 분석한 결과, 이 운석이 형성될 당시 운석 내에 존재했던 방사성 동위원소 알루미늄-26이 원시 태양계 전체에 불균일하게 퍼져 있었다는 사실을 규명했다.

크레스티아니노프 연구원은 "행성이 녹는 것은 지구와 같은 암석행성이 다른 층에서 서로 다른 구성을 '분화'하거나 형성하는 과정으로 믿어진다. 이는 용융으로 인해 밀도가 높은 물질이 행성의 중심으로 가라앉을 수 있기 때문이다. 따라서 지구의 경우 이러한 차별화의 예는 밀도가 높은 금속 핵과 그 위에 상대적으로 밀도가 덜 높은 암석 맨틀이 형성되는 것"이라고 설명했다. 

따라서 약 46억년 전 지구가 형성될 때 알루미늄-26이 어떻게 분포되었는지 이해하는 것은 태양계의 암석 내부 행성이 어떻게 진화했는지에 대한 그림을 완성하는 데 중요하다. 또한 알루미늄-26은 마그네슘의 안정한 형태인 마그네슘-26으로 붕괴되기 때문에 우주 암석의 연대 측정 시스템으로 사용될 수 있다.

에르그 체흐 002의 나이를 45억 6600만년으로 결정하기 위해 연구팀은 그 안의 납 동위원소의 양을 측정했지만, 이는 아이러니하게도 과학자들에게 유사한 운석에 대한 또 다른 연대 측정 전략을 개선할 수 있는 방법을 제공할 수 있었다.

크레스티아니노프 연구원은 "알루미늄-26은 태양계가 어떻게 형성되고 발전했는지 이해하려는 과학자들에게 매우 유용한 물질"이라고 설명하는 크레스티아니노프는 "시간이 지남에 따라 이 원소가 붕괴하기 때문에 우리는 이를 사용하여 연대 측정을 할 수 있는데, 특히 태양계 수명을 400만~500만 년 이내의 오차로 측정할 수 있다"고 덧붙였다. 

더욱 쉬워진 운석의 연대측정

알루미늄-26의 반감기는 약 717,000년이다. 즉, 46억년 된 우주 암석에서 대량으로 직접 발견되기에는 수명이 너무 짧다는 의미다. 그러나 이 알루미늄의 방사성 동위원소가 붕괴하면 안정적인 비방사성 마그네슘 동위원소인 마그네슘-26을 남긴다.

즉, 마그네슘-26을 사용하여 에르그 체흐 002와 같은 우주 암석에서 알루미늄-26의 초기 함유량을 결정할 수 있으며, 이는 우주 암석의 연대 측정 시스템(크로노미터라고도 함)으로 사용될 수 있다. 하지만 과학자들이 먼저 알아야 할 것이 있다.

저자는 "알루미늄-26 – 마그네슘-26 붕괴 시스템은 고해상도 상대 크로노미터 역할도 한다"고 전제하고, "이를 위해서는 알루미늄-26이 태양 성운 전체에 얼마나 균일하게 분포되어 있는지를 결정하는 것이 중요하다"고 덧붙였다. 태양계 성운은 태양계의 태양을 비롯, 행성, 소행성, 혜성 등을 탄생시킨 성운을 말한다.

소행성체가 녹아 형성된 아콘드라이트 암석인 에르그 체흐 002에 대한 연구자들의 연구는 희귀한 아콘드라이트 그룹인 앵그라이트 운석에 관한 기존 데이터와 결합되었다. 아콘드라이트는 녹은 흔적을 보이는 운석으로 이곳 지구상의 화산암과 유사한 특징을 가지고 있다.

크레스티아니노프는 "우리는 에르그 체흐 002의 모체가 앵그리라이트의 모체보다 3~4배 많은 알루미늄-26을 함유한 물질로 형성되었음을 발견했다"고 밝히면서 "이것은 알루미늄-26이 실제로 태양계를 형성하는 먼지와 가스 구름 전체에 상당히 불균일하게 분포되어 있었을 보여준다"고 덧붙였다.

이는 초기 태양계의 알루미늄-26에 대한 우리의 그림을 수정하고, 과거 이 방법만을 사용하여 연대를 측정한 운석의 연대를 수정해야 할 수도 있음을 시사하는 것이다.

또한 연구진의 발견은 또한 알루미늄-26 – 마그네슘-26 붕괴가 운석에 대한 보다 효과적인 크로노미터임을 지적한다.

연구진은 "모체 방사성 핵종의 이질적인 분포를 설명하는 알루미늄-26 – 마그네슘-26 및 기타 멸종 동위원소 크로노미터를 사용하여 동위원소 연대측정에 대한 일반화된 접근방식을 개발하면, 운석과 소행성 및 행성 물질에 대해 보다 정확하고 신뢰할 수 있는 연대 데이터를 생성할 수 있으며, 이는 우리 태양계 형성에 대한 더 나은 이해를 발전시킬 것"이라고 결론 내렸다.

해당 연구는 8월 29일 네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다. 

이광식 과학 칼럼니스트 joand999@naver.com