3'20" 읽기
- 희귀가스는 그러한 휘발성 요소의 기원과 진화에 대한 특히 강력한 지표
- 태양풍에서 나올 수 없는 달 현무암 물질에서 희소가스 처음 발견한 것은 흥미로운 일
- 지구의 맨틀과 동위원소 일치

달의 비활성 기체는 미스터리다.
달은 지구에서 네온, 크세논 등을 물려받았을까?

예상치 못한 과잉:
과학자들이 달 암석 샘플에서 놀라울 정도로 높은 수준의 비활성 기체를 발견했다. 용암 내포물에 보존된 이 가스는 동위원소 사인이 달 표면이나 운석과 크게 다르다. 이것은 그들이 태양풍이나 충격에 의해 달에 도달하지 않았지만 지구에서 왔을 수 있음을 시사한다. 하지만 어떻게? 현재 이론에 따르면, 달 형성 충돌 후 휘발성 요소는 거의 남아 있지 않다. 

▲ 편광현미경 아래 달 운석 샘플의 얇은 부분. © ETH Zurich / Patrizia Will

달은 행성의 대격변으로 형성되었다. 약 45억 년 전 화성 크기의 원시행성이 젊은 지구와 충돌하여 거대한 파편 구름을 만들었다. 많은 양의 휘발성 원소가 달을 형성하기 전에 우주로 탈출했다. 따라서 이것은 한편으로는 소량의 수소와 기타 휘발성 가스를 포함해야 하고 다른 한편으로는 원시행성의 화학적 및 동위원소 흔적을 포함해야 한다. 그 이유는 그 파편이 형성에 관여했기 때문이다.

그러나 둘 다 그렇지 않은 것 같다.
대신 달 암석 샘플의 분석은 지구와 달이 일반적인 충돌 시나리오가 허용하는 것보다 더 유사하다는 것을 암시한다. 특히, 일부 금속과 달의 암석에 결합된 물은 거의 동일한 동위원소 서명을 가지고 있다. 이를 설명하기 위해 일부 연구자들은 지구가 거의 완전히 증발했다고 가정하는 반면, 다른 연구자들은 원시행성이 지구와 비정상적으로 비슷했다고 제안했다.

분석 중인 달 운석

이제 이 퍼즐에 또 다른 퍼즐 조각이 추가되었다. 연구를 위해 ETH Zurich의 파트리치아 빌(Patrizia Will)과 그녀의 동료들은 남극 대륙의 NASA 탐험으로 발견된 6개의 달 기원 운석 샘플을 조사했다. 초기 조사에 따르면, 이 달 암석은 달의 화성에서 발생하는 것처럼 주로 달의 현무암으로 구성되어 있다. 또한, 덩어리에는 달의 희토류가 풍부한 KREEP 지형의 전형적인 혼합물이 포함되어 있다.

Will과 그녀의 동료들은 최근 이 달 암석을 비활성 기체의 함량과 동위원소 특성에 대해 조사했다. "희귀가스는 그러한 휘발성 요소의 기원과 진화에 대한 특히 강력한 지표다"라고 팀은 설명한다. "그들은 또한 지구-달 시스템의 형성에서 이러한 요소의 운명을 재구성하는 데 도움이 될 수 있다.“

비활성 기체의 예상치 못한 초과

분석 결과 놀라운 사실이 밝혀졌다. 일부 샘플의 작은 검은색 유리 입자에는 예기치 않게 높은 농도의 네온, 아르곤, 크립톤 및 크세논이 포함돼 있었다. 연구원들이 보고한 바와 같이, 암석의 함량은 나머지 암석보다 최대 1천 배나 높았다. 언뜻 보기에, 이 잉여의 비활성 가스는 수십억 년에 걸쳐 달에 떨어진 태양풍이나 수많은 운석을 통해 외부 소스에서 달에 도달한 것이 분명해 보인다.

▲ 헬륨-4 대 네온-20의 비율에서 현무암 달 운석(LAP)의 검은 유리 입자는 알려진 달 샘플과 크게 다르다. © Will et al./ Science Advances, CC-by-nc 4.0

유일한 문제:
검은 입자의 구성과 구조는 그것이 달 표면에서 온 것이 아니라 달 표면에서 몇 미터 아래에 있는 용암 암석에서 나온 것임을 나타낸다. 분석은 또한 네온, 헬륨 및 크세논의 동위원소 서명이 태양풍 또는 전형적인 콘드라이트 운석의 동위원소 서명과 크게 다르다는 것을 보여주었다. 헬륨-4 대 네온-20의 비율도 다른 달 샘플의 비율과 다르다.

"태양풍에서 나올 수 없는 달 현무암 물질에서 희소가스를 처음으로 발견한 것은 흥미로운 일이다"라고 Will은 설명했다.

지구의 맨틀과 동위원소 일치

그러나 이 달의 알갱이는 어디에서 과잉의 희소가스를 얻을까? 동위원소 측정에 따르면, 이 달 샘플과 지구의 맨틀 사이에 밀접한 일치가 있다고 Will과 그녀의 동료들은 보고했다. 예를 들어, 맨틀 하부의 맨틀 기둥에 의해 표면으로 올라온 일부 네온 암석은 달 샘플과 거의 동일한 네온 20 대 네온 22 비율을 보여준다. "중비활성 기체도 비슷할 수 있지만 아직 이에 대한 충분한 데이터가 부족하다"라고 팀이 말했다.

연구원들에 따르면, 이것은 이전에 생각했던 것보다 달 형성 충돌에서 더 많은 휘발성 요소가 보존되었음을 나타낸다. 그러나 이것이 어떻게 가능했는지는 아직 불분명하다. Will과 그녀의 팀은 "이제 이것은 미래의 달 형성에 대한 지구물리학적 모델에 의해 설명될 필요가 있다"라고 말했다.

달 맨틀에 갇혀 보존

과학자들은 달의 형성 이후에 비활성 기체에 어떤 일이 일어났는지 설명한다. 달의 마그마 바다가 응고되었을 때, 이 기체는 어두운 마그마 암석 유리에 갇혀 깊은 곳으로 가라앉았을 수 있다. 시간이 지남에 따라 달 맨틀의 불규칙하게 분포된 저수지 중 일부가 녹아 화산 폭발로 인해 표면에 더 가까워졌다.

이것은 또한 Marebasalt의 모든 샘플이 그렇게 높은 비활성 기체 함량을 나타내지 않는 이유를 설명한다. "KREEP 현무암의 높은 비활성 기체 농도는 전체 달 맨틀을 대표하지 않는다"라고 Will과 그녀의 동료들은 설명했다. 대신, 희소가스와 희토류 금속이 풍부한 달 맨틀의 암석은 대부분 고립된 저장소를 형성한다.
(Science Advances, 2022; doi:10.1126/sciadv.abl4920)
출처: Science Advances, Swiss Federal Institute of Technology Zurich(ETH Zurich)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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