"달, 생각보다 더 오래 됐다"…`44억6000만년+α`

1972년 아폴로 17호 우주비행사 해리슨 슈미트가 달의 먼지를 뒤집어쓴 모습. 사진=NASA

현미경으로 볼 달 지르콘 결정. 사진=제니카 그리어

달의 나이가 그동안 알고 있던 것보다 최소한 4000만년 더 오래 됐다는 연구결과가 발표됐다. 이에 따라 달의 나이는 최소 44억6000만년으로 늘었다.

스코틀랜드 글래스고대학과 미국 캘리포니아 로스앤젤레스대(UCLA), 노스웨스턴대, 시카고 필즈박물관, 시카고대 연구진이 참여한 국제공동 연구팀은 달의 마그마 바다가 식은 후 생긴 결정을 분석한 결과 달이 최소한 44억6000만 년 전에 형성됐다는 사실을 확인했다. 이는 지금까지 알려진 달의 나이보다 약 4000만년 더 오래된 것이다. 이 연구 결과는 지질학 분야 국제학술지 '지오케미컬 퍼스펙티브 레터스' 23일자(현지시간)에 실렸다.

40여억 년 전, 태양계가 아직 젊고 지구가 성장하고 있을 때 화성 크기의 거대한 물체가 지구에 충돌했다. 당시 지구에서 떨어져 나간 가장 큰 조각이 달이 됐다. 하지만 정확히 언제 이런 일이 일어났는지는 미스터리로 남아 있다.

연구진은 1972년 아폴로 17호의 우주비행사가 달에서 가져온 운석과 먼지 시료를 분석해 달의 나이를 새로 밝혀냈다. 마그마 바다가 식은 뒤 형성된 지르콘 결정에 들어있는 우라늄과 납의 동위원소 비율을 분석했다. 지르콘 결정 내부의 우라늄은 일정한 속도로 방사성 붕괴를 거쳐 납으로 변하는데, 우라늄과 납 원자의 비율을 측정하면 결정이 만들어진 시기를 알 수 있다.

필립 헥(Philipp Heck) 시카고대학 교수는 "우리가 살펴본 결정들은 거대한 충돌 이후 형성된 가장 오래된 고체다. 이 결정은 달 연대기의 '닻' 역할을 한다"고 말했다.

이 발견은 헥 교수가 필드박물관과 시카고대학 박사과정 중일 때 논문의 수석저자인 제니카 그리어와 함께 연구한 결과다. 그리어 박사는 현재 글래스고대학 연구원으로 재직 중이다.

과학자들에 따르면 화성 크기의 물체가 지구에 충돌해 달이 만들어졌을 때 충돌 에너지가 암석을 녹여 달 표면이 형성됐다. 표면이 녹았을 당시 지르콘 결정은 유지될 수 없었다. 따라서 달 표면의 모든 결정은 달의 마그마 바다가 식은 후 형성된 것이다. 마그마 바다가 식은 후 결정이 만들어진 만큼 지르콘 결정의 나이를 알면 달의 최소 나이를 알 수 있다. 이들은 원자 탐사 단층 촬영이라는 분석 방법을 처음으로 사용해 달 결정의 연대를 분석했다.

그리어 박사는 "집속 이온빔 현미경을 사용해 달 샘플 조각을 매우 날카로운 연필처럼 깎아냈다"면서 "그런 다음 UV 레이저를 사용해 뾰족한 끝 부분의 표면에서 원자를 증발시켰다. 이후 원자가 질량 분석기를 통과하면 원자의 무게를 알 수 있고 무엇으로 만들어졌는지 파악할 수 있다"고 설명했다.

원자핵의 양성자와 중성자 구성이 불안정하면 붕괴를 통해 양성자와 중성자 중 일부를 잃고 다른 원소로 변한다. 우라늄은 그 과정을 거쳐 납으로 붕괴한다. 이 원리를 토대로, 샘플에 들어있는 우라늄과 납 원자의 비율을 알면 샘플이 얼마나 오래됐는지 알 수 있다. 연구진이 발견한 납 동위원소 비율은 샘플이 약 44억6000만년 전에 형성됐음을 알려줬다.

그리어 박사는 "달은 지구에 대한 수많은 의문을 풀 수 있는 중요한 단서다. 어떤 것이 얼마나 오래됐는지 알면 그 과정에서 어떤 일이 일어났는지 더 잘 이해할 수 있다"고 말했다. 헥 교수는 "달은 지구의 자전축을 안정시키고, 하루가 24시간이고 조수가 있는 이유를 설명하는 만큼 달이 얼마나 오래됐는지를 아는 것은 지구를 이해하는 데도 중요하다. 이번 연구결과는 그 시스템에 대한 작은 퍼즐 조각을 하나 맞춘 것"이라고 밝혔다. 안경애기자 naturean@dt.co.kr