달 표면 티타늄, 맨틀까지 가라앉았다가 분출됐다

달에서 티타늄과 철을 함유한 고밀도 광물인 일메나이트가 달 맨틀로 파고들어간 모습을 나타낸 단면도. Adrien Broquet/미국 애리조나대 & Audrey Lasbordes 제공

달 표면의 무거운 금속이 초기 달에서 달 안쪽에 가라앉았다가 다시 용암으로 분출된 것이라는 연구결과가 발표됐다.

제프 앤드류스-한나 미국 애리조나대 달및행성연구소(LPL) 교수가 이끈 연구팀은 달 중력장 변화 데이터를 통해 티타늄 등 무거운 희귀 금속이 달 형성 초기에 맨틀로 가라앉았다가 이후 화산 활동으로 표면에 분출됐다는 사실을 밝히고 연구결과를 8일(현지시간) 국제학술지 '네이처 지오사이언스'에 공개했다.

달은 약 45억년 전 지구에 작은 행성이 충돌하며 생긴 암석이 뭉쳐 만들어진 것으로 알려져 있다. 달의 기원에 대한 설명은 50여 년 전 아폴로 임무에서 수집된 암석 샘플과 이론 모델을 결합해 구성됐다.

용암이 달 표면에서 굳은 현무암 샘플에서는 고농도의 티타늄이 검출됐다. 이후 위성 관측을 통해 현무암에 티타늄이 풍부하다는 사실이 밝혀졌다. 티타늄이 어떻게 달 표면에 도달했는지는 그동안 정확히 밝혀지지 않았다.

연구팀은 "달 형성 모델에 따르면 달은 뜨거운 마그마 바다로 덮여 있다가 서서히 식으며 굳었다"며 "마그마 바다에 마지막으로 남은 찌꺼기에서 티타늄과 철을 함유한 고밀도 광물 '일메나이트'가 결정화됐다"고 설명했다.

일메나이트가 맨틀보다 밀도가 높아 중력 불안정을 일으키며 계단식으로 달 내부로 가라앉아 맨틀과 섞여 녹았고 이후 티타늄이 풍부한 용암으로 분출돼 달 표면으로 돌아왔다는 분석이다. 

연구팀은 이 과정을 설명할 증거를 찾기 위해 2011년에서 2012년 사이 달 궤도를 돌며 중력의 미세 변화를 측정한 미국 항공우주국(NASA)의 달 탐사 미션(GRAIL)으로 감지한 중력 이상 현상과 일메나이트 광석층이 달 맨틀에서 가라앉는 시뮬레이션을 비교했다.

그 결과 일메나이트가 계단식으로 가라앉는 시뮬레이션과 GRAIL 임무에서 측정한 중력장 변화에 남은 '패턴'이 일치하는 것으로 확인됐다. 나아가 연구팀은 일메나이트 광물층이 약 42억2000만년 전에 가라앉았다는 사실도 확인했다.

앤드류스-한나 교수는 "달 진화의 중요 단계에서 달 내부에서 일어난 일의 물리적 증거를 확보한 것"이라며 "달의 초기 역사는 달 표면 아래에 기록됐고 이 이야기를 밝히기 위해선 모델과 데이터의 적절한 조합이 필요하다"고 밝혔다.

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]