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- 아폴로 우주비행사들은 자유롭게 암석 샘플 수집,달 표면 아래 60cm 깊이까지 시추
- 일부 암석 샘플은 밀봉돼 진공 상태로 보관. 미래 세대가 새로운 분석 기술로 연구
- 50여 년이 지난 지금, NASA는 이러한 달 샘플 중 일부를 공개
- 황-33의 값은 예상보다 2.8배 낮아, 모든 지구 황 변이체와 상당히 다르다
- 혹은 유황이 테이아에서 유래했을까?

아폴로 17호 임무에서 채취한 오래된 달 샘플에서 황의 놀라운 발견
아폴로 17호 임무에서 채취한 암석에서 예상치 못하게 특이한 황 동위원소가 발견

예상치 못한 발견:
아폴로 17호 임무에서 채취한 달 샘플을 분석하던 연구진은 놀랍도록 특이한 황 동위원소를 발견했다. 53년 동안 그대로 남아 있던 암석 샘플의 황은 지구에서 채취한 황과 매우 달랐다. 특히 주목할 만한 것은 황-33 동위원소가 비정상적으로 부족하다는 점이다. 연구진은 이러한 현상이 어떻게 발생했는지에 대해 추측만 할 뿐이지만, 두 가지 가설을 제시했다. 

▲ 1972년 봄, 아폴로 17호 우주비행사 유진 서넌이 달 탐사차에서 드릴 샘플을 채취하고 있다. © NASA

달과 지구는 공통된 역사, 그리고 대재앙을 공유했다. 달은 어린 지구가 화성 크기의 원시 행성과 충돌한 후 지구 파편으로 형성되었다. 따라서 지구와 위성은 지구화학적으로 매우 유사하다. 이는 달 탐사선의 데이터와 50여 년 전 아폴로 달 임무에 참여한 우주비행사들이 지구로 가져온 암석 샘플 분석 결과에서도 드러난다.

53년 동안 손대지 않은 달 샘플

하지만 아폴로 달 샘플 전체가 아직 조사된 것은 아니다. 일부 암석 샘플은 밀봉되어 진공 상태로 보관되었다. 이 샘플들은 미래 세대가 당시에는 없었던 새로운 분석 기술을 사용하여 분석할 수 있도록 손상되지 않은 상태로 보존되도록 의도된 것이었다. 50여 년이 지난 지금, NASA는 이러한 달 샘플 중 일부를 공개했다.

그중에는 1972년 아폴로 17호 임무에 참여한 우주비행사들이 달의 세레니타티스 해협(Mare Serenitatis) 남동쪽 끝에서 가져온 샘플도 있다. 이곳의 타우루스-리트로(Taurus-Littrow) 지역은 고대 화산 활동으로 달 맨틀 암석이 지표면으로 올라왔기 때문에 지질학적으로 특히 흥미로운 곳으로 여겨졌다. 아폴로 우주비행사들은 자유롭게 접근 가능한 암석 샘플을 수집했을 뿐만 아니라 달 표면 아래 최대 60cm 깊이까지 시추했다.

▲ 아폴로 17호 우주비행사 해리슨 H. 슈미트가 세레니타티스 해협의 타우루스-리트로 지역에 있는 달 암석 옆에 서 있다. © NASA

로드아일랜드 브라운 대학교의 제임스 도틴(James Dottin)이 이끄는 연구팀은 이차 이온 질량 분석법을 사용하여 이들 샘플 중 일부의 황 동위원소를 최초로 분석했다.

황-33의 놀라운 감소

분석 결과 놀라운 사실이 밝혀졌다. 도틴은 "이전에는 달 맨틀의 황 조성이 지구와 동일할 것이라고 생각했다"며 "그래서 달 샘플을 분석했을 때 정확히 예상했던 대로였다. 하지만 그 대신 지구에서 알려진 것과는 다른 동위원소 값이 나타났다"고 설명했다. 도틴의 첫 생각은 "그럴 리가 없다"였다. 그래서 연구팀은 분석을 반복하고 측정 오류를 찾아냈다.

결과가 확인되자 도틴은 "매우 놀라운 결과다"고 말했다. 네 가지 안정적인 황 동위원소 중 하나는 달 맨틀 물질 입자에서 예상치 못하게 드물게 발견되었다. 황-33의 값은 예상보다 2.8배 낮았다. 따라서 아폴로 17호 달 샘플의 동위원소 황 조성은 연구팀이 보고한 바와 같이 모든 지구 황 변이체와 상당히 다르다.

초기 달 대기와 지각 변동의 증거?

그렇다면 이처럼 예상치 못한 특이한 황 흔적을 어떻게 설명할 수 있을까? 도틴과 그의 동료들은 두 가지 가능한 설명을 제시하는데, 두 가지 모두 의문을 제기한다. 첫 번째 시나리오에서는 황-33 동위원소가 광화학적 과정을 통해 손실되었다. 이는 황이 가스가 풍부한 환경에서 강한 자외선에 노출될 때 이 동위원소가 선택적으로 분해될 수 있기 때문이다.

▲ 도틴과 그의 동료 브라이언 몬텔레오네가 2차 이온 질량 분석법을 사용하여 달 샘플을 분석하고 있다. 해당 장비는 배경에서 볼 수 있다. © 브라운 대학교

그러나 달은 오래전에 대기를 잃었다. 따라서 이러한 광화학적 황 분해는 지구의 위성인 달 주변에 아직 얇은 가스층이 존재했던 달의 초기 단계에 발생했을 것이다. 더 나아가, 달 맨틀 암석의 황은 지질학적 융기 과정을 통해 달 표면에 도달했을 것이다. "지구에는 판구조론이 이러한 현상을 일으키지만, 달에는 그렇지 않다. 따라서 초기 달의 전복 메커니즘에 대한 아이디어는 매우 흥미롭다"고 도틴은 말했다.

혹은 유황이 테이아에서 유래했을까?

두 번째 가능한 설명은 달 유황의 특이한 동위원소 구성이 달 자체에서 유래하지 않는다는 것이다. 오히려 이 유황은 약 45억 년 전 지구와 충돌하여 달의 형성을 촉발한 화성 크기의 원시행성 테이아에서 유래했을 수 있다. 그렇다면 이 예상치 못한 특이한 유황 혼합물은 테이아가 적어도 이 원소와 관련하여 지구와 크게 달랐음을 시사할 수 있다.

이 두 가지 설명 중 어느 것이 맞는지는 아직 불분명하다. 연구진은 달이나 화성에서 추가 샘플을 채취하여 유황이 포함된 달의 미스터리에 대한 더 많은 답을 얻기를 기대한다.

참고: Journal of Geophysical Research: Planets, 2025; doi: 10.1029/2024JE008834
출처: Brown University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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