미국 브라운대 과학연구팀이 최근 최신 연구 결과를 발표했다. 1972년 아폴로 17호가 지구로 가져온 이후 제대로 봉인돼 있던 달 핵 샘플을 열어 전례 없는 황 동위원소 신호를 발견한 것이다. 이 결과는 달의 형성과 내부 진화에 대한 전통적인 이해에 도전하고 있습니다. 연구 논문은 지구물리학 연구 저널: 행성(Journal of Geophysical Research: Planets)에 게재되었습니다.
1972년 아폴로 프로그램의 마지막 우주 비행사들이 달에서 돌아왔을 때, 수집된 샘플 중 일부는 미래에 더 발전된 기술을 가진 과학자들의 심층 분석을 위해 남겨지기를 바라며 밀봉되어 보존되었습니다. 50여년이 지난 후 마침내 이 비전이 실현되었습니다. 브라운대학교 지구환경행성과학과 조교수인 제임스 도틴(James Dottin)이 이끄는 팀은 아폴로 17호가 토러스-리트로우(Taurus-Littrow) 지역에서 수집한 달 토양 코어 부분을 재분석하여 비정상적인 황 동위원소 구성을 확인했습니다.
이러한 화산 물질의 황은 황의 4가지 안정 동위원소 중 하나인 황-33(33S)이 상당히 고갈되어 있습니다. 연구팀은 이러한 값이 지구 암석에서 일반적으로 측정되는 황 동위원소 비율과 크게 다르다는 점에 주목했습니다. 지구와 다른 행성에 대한 연구에서 원소의 동위원소 비율은 그 기원과 그것이 어떻게 형성되었는지를 반영하는 "지문"으로 간주됩니다. 두 샘플이 동일한 동위원소 패턴을 갖는 경우 이는 일반적으로 동일한 "모체"에서 유래했음을 의미합니다.
오랫동안 과학계에서는 지구와 달이 산소 동위원소 측면에서 매우 유사한 특성을 갖고 있음을 확인해 왔기 때문에 일반적으로 달 맨틀의 황 동위원소 구성도 지구와 비슷할 것이라는 추측이 일반적이다. 그러나 이번 연구 결과는 상당히 달랐다. 도팅은 원래 지구에서와 비슷한 값을 볼 것으로 예상했지만 결국 "지구에서 알려진 어떤 샘플과도 매우 다른" 결과가 나왔다고 말했습니다. 그가 처음 데이터를 봤을 때 그의 반응은 다음과 같았습니다. "이건 불가능합니다. 우리가 어딘가에서 뭔가 잘못한 게 틀림없어요." 반복된 확인 끝에 연구팀은 실험 과정이 정확하다는 것을 확인했으며 이것이 '매우 놀라운' 실제 신호라는 점만 받아들일 수 있었습니다.
이번에 분석된 샘플은 소위 "이중 구동 튜브"에서 나온 것입니다. 아폴로 17호 우주 비행사 진 서넌(Gene Cernan)과 해리슨 슈미트(Harrison Schmitt)는 이 속이 빈 금속 튜브를 달 표면에 약 60cm 삽입하여 상대적으로 현장에서 교란되지 않는 달 토양 프로파일을 얻었습니다. 샘플이 지구로 돌아온 후 NASA(미국항공우주국)는 향후 연구를 위해 "가장 깨끗한" 달 물질을 확보하기 위해 "아폴로 차세대 샘플 분석 프로그램"(ANGSA)의 일환으로 샘플을 헬륨 환경에 봉인했습니다.
최근 몇 년 동안 NASA는 경쟁 선택을 통해 이러한 귀중한 샘플을 과학 연구 팀에 제공했습니다. 브라운 대학의 달 연구 컨소시엄 LunaSCOPE의 지원을 받아 Doting은 2차 이온 질량 분석기(2차 이온 질량 분석기) 기술을 사용하여 샘플 내 황 동위원소의 고정밀 측정을 수행했습니다. 이는 Apollo 샘플을 처음 가져올 당시에는 사용할 수 없었던 방법입니다. 그는 나중에 다른 과정에 의해 유입되기보다는 암석이 분출될 때 형성된 황상을 찾는 데 중점을 두고 달 깊은 화산 물질에서 파생된 것으로 결정된 코어 부분을 구체적으로 선택했습니다.
이러한 예상치 못한 33S 신호에 대해 연구팀은 현재 두 가지 주요 설명 경로를 제안했습니다. 하나는 달의 초기 표면 환경과 관련이 있습니다. 얇은 대기에서 황이 자외선 복사 작용 하에서 특정 광화학 반응에 참여하면 고갈된 33S의 특성을 형성할 수 있습니다. 과학계는 일반적으로 초기 달의 대기가 잠시 얇았으며 이번에 발견된 황 동위원소의 흔적은 그 시기 표면 화학 과정의 유물일 수 있다고 믿고 있습니다. 이 설명이 사실이라면, 원래 표면에 있던 이들 유황 물질이 어떤 메커니즘에 의해 달 맨틀 깊숙한 곳으로 운반되었다는 의미입니다.
Dotting은 이것이 초월 달의 "표면-내부 물질 교환"의 증거가 될 것이라고 지적했습니다. 지구상에서는 판구조론이 표면 물질을 맨틀로 섭입시켜 재활용할 수 있지만, 달에는 이와 유사한 판구조론이 없습니다. 따라서 표면 물질을 초기 달로 보낼 수 있는 메커니즘이 실제로 있다면 내부 동적 과정을 이해하는 데 매우 중요하고 매력적일 것입니다.
또 다른 설명은 달 자체의 기원에 대한 관점을 다시 끌어들이는 것입니다. 초기 지구가 화성 크기의 천체인 테이아(Theia)와 거대한 충돌을 했고, 튀어 나온 잔해들이 궤도에 모여 결국 달을 형성했다는 것이 주류 이론이다. 테이아 자체가 지구와 매우 다른 황 동위원소 구성을 갖고 있다면 달 맨틀 깊숙한 곳에 남아 있는 그 물질이 오늘날의 달 샘플에서도 검출될 수 있을 것입니다.
현재로서는 두 가지 설명 사이에서 명확한 결정을 내리기에는 이용 가능한 데이터가 충분하지 않습니다. 도팅은 앞으로 다른 달 샘플과 태양계의 더 많은 행성에서 얻은 동위원소 데이터와의 체계적인 비교를 통해 이 "이종 황 신호"의 진정한 출처가 더욱 밝혀질 수 있기를 바라고 있습니다. 연구자들은 이러한 동위원소 지문에 대한 심층 분석이 달 자체의 형성과 진화 역사를 재구성하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 전체 태양계의 초기 물질 분포와 행성 형성 과정에 대한 새로운 단서를 제공할 것이라고 믿습니다.