MIT, 지구 깊은 곳에서 잃어버린 세계의 흔적 발견

수십억 년 전에 태양계는 거대한 회전하는 가스와 먼지 구름이었습니다. 시간이 지나면서 이 물질은 단단한 물체로 합쳐져 최초의 운석을 형성했습니다. 이 운석들은 반복적인 충돌을 통해 점차적으로 합쳐져 원시 지구와 그 주변 행성을 만들었습니다.

초기에 지구는 용암으로 뒤덮인 녹은 세계였습니다. 1억 년이 채 지나지 않아 화성 크기의 몸체가 젊은 행성에 충돌하면서 과학자들이 “거대한 충돌”이라고 부르는 재앙적인 사건을 경험했습니다. 충돌로 인해 행성 내부가 녹아 혼합되어 원래의 화학적 특성이 대부분 사라졌습니다. 수십 년 동안 과학자들은 원시 지구의 모든 흔적이 우주 격변으로 인해 완전히 파괴되었다고 믿었습니다.

그러나 MIT 팀의 새로운 결과는 이러한 가정에 도전합니다. 연구자들은 오늘날 지구상에서 발견되는 대부분의 물질과 다른 고대의 깊은 암석 샘플에서 특이한 화학적 특징을 발견했습니다. 이 특징은 칼륨 동위원소(중성자 수가 다른 동일한 원소의 원자)의 약간의 불균형으로 나타납니다. 광범위한 분석 끝에 과학자들은 이후의 충격이나 지구 내에서 진행 중인 지질학적 과정에 의해 변칙 현상이 생성될 수 없다고 결론지었습니다.

가장 그럴듯한 설명은 이 암석이 원시 지구의 원래 물질의 작은 부분을 보존하여 행성의 격렬한 재형성 속에서 어떻게든 살아남았다는 것입니다.

MIT의 지구 및 행성 과학 분야 Paul M. Cook 경력 개발 조교수인 Nicole Nie는 “이것은 아마도 우리가 원시 지구 물질을 보존했다는 최초의 직접적인 증거일 것입니다.”라고 말합니다. “우리는 거대한 충돌 이전에도 아주 오래된 지구의 일부를 봅니다. 이 아주 초기의 특징이 지구의 진화를 통해 천천히 지워질 것이라고 기대하기 때문에 이것은 놀라운 일입니다.”

Nie의 공동 저자로는 Chengdu University of Technology(중국)의 Da Wang, Carnegie Institution for Science(워싱턴 DC)의 Steven Shirey 및 Richard Carlson, ETH Zürich(스위스)의 Bradley Peters, Scripps 해양학 연구소(캘리포니아)의 James Day가 있습니다.

흥미로운 변칙

2023년에 Nie와 그녀의 팀은 전 세계에서 수집된 수많은 잘 기록된 운석을 조사했습니다. 이 운석은 태양계 전체의 다양한 시간과 위치에서 형성되어 수십억 년에 걸쳐 변화하는 화학적 성질을 포착합니다. 연구자들은 그들의 구성을 지구의 구성과 비교했을 때 독특한 “칼륨 동위원소 이상”을 발견했습니다.

칼륨은 자연적으로 세 가지 동위원소 형태(칼륨-39, 칼륨-40, 칼륨-41)로 존재하며 각각 원자 질량이 약간 다릅니다. 현대 지구에서는 칼륨-39와 칼륨-41이 지배적인 반면, 칼륨-40은 극소량으로만 존재합니다. 그러나 운석은 일반적으로 지구에서 볼 수 있는 것과는 다른 동위원소 비율을 나타냈습니다.

이 발견은 동일한 종류의 칼륨 불균형을 보이는 모든 물질이 거대한 충격이 지구의 화학을 변화시키기 전에 존재했던 물질에서 유래했음이 틀림없다는 것을 시사했습니다. 본질적으로, 이 변칙성은 원시 지구 물질의 지문 역할을 할 수 있습니다.

“그 연구에서 우리는 서로 다른 운석이 서로 다른 칼륨 동위원소 특성을 가지고 있다는 것을 발견했습니다. 이는 칼륨이 지구의 빌딩 블록 추적자로 사용될 수 있음을 의미합니다.”라고 Nie는 설명합니다.

“다르게 제작되었습니다”

이번 연구에서 연구팀은 운석이 아닌 지구 내에서 칼륨 이상 징후를 찾았습니다. 그들의 샘플에는 가장 오래 보존된 암석 중 일부가 발견된 그린란드와 캐나다의 분말 형태 암석이 포함되어 있습니다. 그들은 또한 화산이 맨틀(지각과 핵을 분리하는 행성의 가장 두꺼운 암석층)에서 지구에서 가장 초기의 가장 깊은 물질을 가져온 하와이에서 수집한 용암 퇴적물을 분석했습니다.

“이 칼륨 특성이 보존된다면 우리는 깊은 시간과 깊은 지구에서 그것을 찾고 싶을 것입니다”라고 Nie는 말합니다.

연구팀은 먼저 다양한 분말 샘플을 산에 용해시킨 다음 나머지 샘플에서 칼륨을 조심스럽게 분리하고 특수 질량 분석기를 사용하여 칼륨의 세 가지 동위원소 각각의 비율을 측정했습니다. 놀랍게도 그들은 샘플에서 지구상의 대부분의 물질에서 발견된 것과 다른 동위원소 특징을 확인했습니다.

구체적으로 그들은 칼륨-40 동위원소의 결핍을 확인했습니다. 지구상의 대부분의 물질에서 이 동위원소는 칼륨의 다른 두 동위원소에 비해 이미 미미한 부분입니다. 그러나 연구자들은 그들의 샘플에 훨씬 더 적은 비율의 칼륨-40이 포함되어 있음을 식별할 수 있었습니다. 이 작은 결핍을 발견하는 것은 황사 한 국자를 발견하는 것이 아니라 양동이에 있는 갈색 모래 한 알을 발견하는 것과 같습니다.

연구팀은 실제로 샘플에 칼륨-40이 부족하다는 사실을 발견했는데, 이는 오늘날 우리가 지구에서 볼 수 있는 대부분의 물질과 비교하여 재료가 “다르게 제작”되었음을 보여주는 것이라고 Nie는 말했습니다.

하지만 샘플이 원시 지구의 희귀한 잔재일 수 있을까요? 이에 답하기 위해 연구자들은 이것이 사실일 수 있다고 가정했습니다. 그들은 원시 지구가 원래 칼륨-40이 부족한 물질로 만들어졌다면 이 물질의 대부분은 거대한 충돌과 그에 따른 작은 운석 충돌로 인해 화학적 변화를 겪었을 것이며 궁극적으로 오늘날 우리가 볼 수 있는 칼륨-40이 더 많은 물질이 되었을 것이라고 추론했습니다.

연구팀은 알려진 모든 운석의 구성 데이터를 사용하고 이러한 운석과 거대 충돌에 따른 충격에 따라 샘플의 칼륨-40 결핍이 어떻게 변하는지에 대한 시뮬레이션을 수행했습니다. 그들은 또한 맨틀의 가열과 혼합과 같이 시간이 지남에 따라 지구가 경험하는 지질학적 과정을 시뮬레이션했습니다. 결국 그들의 시뮬레이션은 캐나다, 그린란드 및 하와이의 샘플에 비해 칼륨-40의 비율이 약간 더 높은 구성을 생성했습니다. 더 중요한 것은 시뮬레이션된 구성이 대부분의 현대 재료의 구성과 일치한다는 것입니다.

이 연구는 칼륨-40이 부족한 물질이 원시 지구에서 남겨진 원래 물질일 가능성이 높다는 것을 시사합니다.

흥미롭게도 샘플의 서명은 지질학자들이 수집한 다른 운석과 정확하게 일치하지 않습니다. 팀의 이전 작업에서 운석은 칼륨 이상을 보여주었지만 원시 지구 샘플에서 볼 수 있는 적자는 정확히 아닙니다. 이는 원래 원시 지구를 형성했던 운석과 물질이 아직 발견되지 않았음을 의미합니다.

“과학자들은 다양한 운석 그룹의 구성을 결합하여 지구의 원래 화학 구성을 이해하려고 노력해 왔습니다.”라고 Nie는 말합니다. “그러나 우리의 연구에 따르면 현재 운석 목록은 완전하지 않으며 우리 행성이 어디에서 왔는지에 대해 알아야 할 것이 훨씬 더 많습니다.”

이 작업은 부분적으로 NASA와 MIT의 지원을 받았습니다.