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- 대륙 크기의 이상 현상은 약 45억 년 전 지구와 충돌한 화성 크기의 원시행성의 잔재.
- 대형 저속 지역은 태평양과 아프리카 아래에 위치, 지진파의 속도를 특히 강하게 늦춰
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외계 잔해가 어떻게 지구 맨틀에 들어가 있을까
지구 내부에 있는 대륙 크기 이상(異狀) 현상은 원시행성 테이아(Theia)의 잔해일 수 있다.

지구 맨틀 깊은 곳에는 외계에서 유래했을 수 있는 두 개의 거대한 물질 덩어리가 있다. 이러한 대륙 크기의 이상 현상은 약 45억 년 전 지구와 충돌한 화성 크기의 원시행성의 잔재일 가능성이 높다. 이에 대한 증거는 지진 데이터뿐만 아니라 이번 행성 충돌 중 발생한 사건에 대한 새로운 시뮬레이션에서도 제공된다. 그들은 이러한 외계 유물이 어떻게 오늘날까지 보존될 수 있었는지 보여준다. 

▲ 두 개의 대륙 크기의 변칙존재가 지구의 하부 맨틀 깊은 곳에 자리잡고 있다. 이것이 지구와 충돌한 원시행성 테이아의 유물일까? © Hongping Deng/ Hangzhou Sphere Studio, China

약 45억 년 전 젊은 지구가 화성 크기의 원시행성 테이아와 충돌했을 때, 이는 극적인 결과를 가져왔다. 한 시나리오에 따르면, 두 천체의 대부분이 증발하고 방출된 물질이 응축되어 달을 형성했다. 또 다른 시나리오에 따르면, 원시행성이 충돌했을 때 반쯤 녹은 커다란 덩어리가 원시 지구 밖으로 던져졌고, 그로부터 몇 시간 안에 달이 형성되었다.

테이아의 유해는 어디로 갔나요?

그러면 원시행성의 나머지 부분은 어디에 있을까? 대중적인 믿음에 따르면 테이아 핵의 무거운 원소는 주로 달의 핵에 축적되었다. 그러나 테이아의 맨틀이 어디로 갔는지는 논쟁의 여지가 있다. 2021년 초, 애리조나 주립대학의 키안 유안(Qian Yuan)이 이끄는 팀은 언뜻 보기에는 이상해 보이는 답을 가정했다. 그들의 의견으로는 원시행성 일부가 오늘날까지도 지구 맨틀 바닥에 숨겨져 있을 수 있다고 생각한다.

이에 대한 증거는 지구의 하부 맨틀에 있는 두 개의 거대한 변칙 현상에서 나오는데, 각각은 지구의 달 크기의 두 배다. 소위 대형 저속 지역(LLVP:Large Low-Velocity Provinces)은 태평양과 아프리카 아래에 위치하며 지진파의 속도를 특히 강하게 늦춘다. 이는 맨틀 물질이 특히 뜨겁고 부드러울 수 있음을 시사한다. "LLVP는 종종 주변 맨틀과 구성이 다른 본질적으로 조밀한 이질성으로 해석된다"고 Yuan과 그의 동료들은 설명했다.

▲ 약 45억년 전, 화성 크기의 원시행성 테이아(Theia)가 젊은 지구와 충돌했다. © Hernán Cañellas

컴퓨터에서 충돌이 재구성됨

이론적으로 이러한 변칙존재는 원시행성 테이아(Theia)의 잔해와 같은 "외부 물질"로 구성돼 있다고 전적으로 생각할 수 있다. 문제는 다음과 같다. "지금까지 지구 내부에 있는 테이아의 모든 유물은 수십억 년에 걸친 역동적인 맨틀 대류에 의해 오래 전에 전멸되고 균질화되었다고 생각되었다"고 Yuan의 동료인 Steven Desch는 말했다. 게다가 원시행성의 잔해가 애초에 왜 두 개의 명확하게 정의된 덩어리를 형성해야 했는지도 불분명했다.

이 문제를 해결하기 위해 Yuan과 그의 팀은 두 가지 고해상도 유체 역학 시뮬레이션을 통해 원시 지구와 Theia의 달 형성 충돌을 재구성했다. 이는 충돌하는 두 천체의 상태와 구성, 충돌 전, 충돌 중, 충돌 후 지구 맨틀의 역학을 나타낸다.

두 부분으로 구성된 맨틀

시뮬레이션 결과, 상부 맨틀은 충돌 직후 용융된 마그마 바다를 형성했지만, 약 1,300km 깊이의 하부 맨틀은 이전에 가정했던 것보다 대체로 단단하고 냉각되었을 수 있음이 나타났다. 이것은 원시행성 유물의 운명을 의미한다. 만약 그것들이 밀도가 높아 맨틀의 더 단단한 층에 가라앉을 만큼 충분히 무거웠다면, 그들은 지구 물질과 완전히 섞이는 것을 피할 수 있었을 것이다.

“맨틀 대류 시뮬레이션에서 우리는 밀도가 높고 철이 풍부한 물질이 테이아(Theia)에서 지구 맨틀 바닥으로 가라앉아 거기에 축적될 수 있다는 것을 발견했다”고 애리조나 주립대학의 공동 저자인 Mingming Li가 보고했다. 원시행성의 물질 밀도는 지구 맨틀의 밀도보다 2~3.5% 정도 더 높으면 충분하다. 이전 연구에 따르면, 이는 테이아의 맨틀 암석이 지구 맨틀보다 더 많은 산화철을 함유하고 있기 때문에 가능했을 것이다.

▲ 이 모델은 두 개의 대형 맨틀 변칙(LLSVP)의 위치와 범위를 보여준다. © Sanne.cottaar /CC-by-sa 4.0

두 개의 덩어리로 "함께 쓸어 담았다"

원시행성의 물질이 지구의 핵-맨틀 경계로 가라앉은 후, 두 개의 큰 "무더기"로 모였다. 밀도가 더 높고 구성이 다르기 때문에 맨틀 대류에 의해 분산되지 않고 오히려 서아프리카와 태평양의 두 위치에서 "함께 휩쓸려 갔다"고 팀이 설명했다. 이 결과는 각각 약간 다른 매개변수를 갖는 총 9개의 서로 다른 모델에서 나타났다.

“이것은 테이아의 뚜렷한 ‘조각’이 여전히 지구 깊은 곳에 존재한다는 것을 그럴듯하게 보여주는 최초의 연구다”고 Desch는 말했다. 그의 팀의 계산에 따르면, 달 형성 충돌 동안 약 0.017~0.026개의 지구 질량의 원시행성 물질이 하부 맨틀에 들어갔을 수 있다. “이것은 LLVP에 대한 지구 질량의 추정치인 0.01~0.06과 비교적 잘 일치한다”고 연구원들은 썼다.

▲ 원시행성과 지구(왼쪽)의 충돌, 달과 맨틀 변칙 형태의 테이아 유물과의 현재 상태. © Hernán Cañellas

지구 내부의 외계 "덩어리"

따라서 이 시나리오는 큰 충돌 이후 원시행성 테이아(Theia)의 나머지 부분이 어디에 남아 있는지 뿐만 아니라 하부 맨틀에 있는 두 개의 거대한 변칙존재가 어떻게 형성되었는지도 설명할 수 있다. 이제 설명이 생겼다. 이 '덩어리'는 우리 달을 형성한 행성 충돌의 잔재다. 즉, 지구 내부의 이 거대한 덩어리는 외계 생명체다!”

이 시나리오에 대한 가능한 확인은 두 변칙 현상 위에 있는 맨틀 기둥의 암석 샘플을 통해 제공될 수 있다. 이러한 핫스팟 구역은 하부 맨틀의 물질을 지각으로 운반하므로 LLPS의 마그마 일부도 포함할 수 있다. 연구팀은 “LLVP 관련 기둥 샘플의 동위원소 및 화학적 구성에 대한 연구와 달 현무암과의 비교를 통해 우리의 가설을 테스트할 수 있다”고 설명했다.
(Nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-023-06589-1)
출처: Arizona State University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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