달 생성 45억년 전 대충돌, 생명체 탄생에 필요한 '환원성 대기' 만들었다

연세대-포항가속기연구소-독일 ‘PETRA III’ 가속기 연구팀

 

논문의 1저자인 최진혁 연구원이 X-선 자유전자레이저 실험 준비를 하고 있다. 연세대 제공

국내 연구진이 참여한 국제공동 연구팀이 초기 지구에서 일어난 달 형성 대충돌 과정에서 ‘환원성 대기’가 일시적으로 생성될 가능성이 있다는 사실을 실험을 통해 확인했다. 초기 지구에서 생명체 탄생의 열쇠인 환원성 대기의 형성 과정을 실험실 환경에서 직접 구현했다는 평가다.

 

연세대는 이용재 지구시스템과학과 교수 연구팀과 포항가속기연구소 4세대 선형가속기(PAL-XFEL) 연구팀, 독일 ‘PETRA III’ 가속기 연구팀이 이같은 내용을 담은 연구 결과를 15일 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 발표했다고 21일 밝혔다.

 

약 45억 년 전에 일어난 달 형성 대충돌은 전 지구를 일시적으로 마그마 바다의 상태로 만들고 기존의 대기를 완전히 변화시킨 것으로 추정된다. 현재의 지구 대기는 과거 맨틀 상부에서 배출된 가스 성분의 영향을 받아 시생대 초기인 약 40억 년 전부터 산화된 상태로 존재해 온 것으로 알려졌다. 환원성 대기의 존재는 초기 지구 시기인 약 40억 년 이전 시점에서 형성 원인을 찾아야 한다.

 

과학계에서는 달 형성 대충돌 이후 지구의 진화 양상에 대한 논의가 계속되고 있다. 최근 연구에선 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 지구와 충돌한 미행성체의 철로 이루어진 핵이 지구에 유입돼 마그마 바다의 물질과 상당량 반응했을 것으로 추측된 바 있다.

 

연구팀은 현존하는 가장 강력한 X-선원으로 알려진 ‘X-선 자유전자레이저’를 이용해 철에 수 메가줄(MJ)의 에너지를 순간적으로 가하는 새로운 실험 기법을 통해 대충돌에 의한 마그마 바다 환경을 모사하고 관찰했다.

 

달 형성 대충돌에 의한 미행성체의 핵과 마그마 바다의 물, 이산화탄소 등 휘발성 물질 간의 반응을 실험적으로 모사하기 위해 소형 고압 발생 장치인 ‘다이아몬드 앤빌셀(Diamond-anvil Cell)’을 이용했다. 이를 활용해 철과 물 그리고 철과 이산화탄소의 혼합 시료에 대기압의 약 5~10만 배에 해당하는 압력을 가한 후, 4세대 선형가속기에서 생성된 짧은 펄스 형태의 X-선 자유전자레이저를 사용해 순간적으로 초고온-초고압 환경을 형성했다.

초기 지구 마그마 바다에서 일어난 환원성 대기 형성의 상상도. 연세대 제공

이어 연속적인 X-선 빔 조사를 통해 반응을 관찰했다. 그 결과 물을 구성하는 수소는 일시적으로 철의 구조 내부로 포획됐다가 온도-압력이 복원되면서 수소 기체(H2) 형태로 방출되고 산화철(FeO)이 생성됨이 확인했다. 마그마 바다의 약 300km 깊이인 초기 압력 10기가파스칼(GPa) 환경에서 철 구조 내에 포획된 수소가 온도-압력 복원 이후에도 철수화물(FeHx) 형태로 유지됨도 확인됐다.

 

철과 이산화탄소 사이의 반응에서도 이산화탄소를 구성하는 산소와 철이 결합해 물과의 반응에서와 마찬가지로 산화철이 생성됐고 일산화탄소(CO) 기체가 방출됐다.

 

이러한 반응 양상은 대충돌에 의해 방출된 수소와 일산화탄소에 의한 환원성 대기를 형성했다. 연구팀은 “철은 산화철의 형태로 지구 맨틀 성분을 구성하며, 더 깊은 곳에서 안정적으로 만들어진 철수화물은 중심으로 이동해 가벼운 성분이 포함된 핵을 형성했을 것을 시사한다”고 설명했다.

 

이용재 교수는 “대충돌 환경에서 일어난 철과 휘발성 물질 간의 반응을 실험적으로 처음 관찰한 결과로 초기지구에서 생명체 탄생의 열쇠인 환원성 대기의 형성 과정을 실험실 환경에서 직접 구현한 것”이라고 설명했다. 이어 “X-선 자유전자레이저를 이용한 대충돌 모사 실험을 시작으로 향후 동적 극한 환경 연구를 통해 지구와 행성 진화의 통시적 이해가 가능할 것”이라며 연구의 의의를 밝혔다.

[박정연 기자 hesse@donga.com]