달에 물이 존재한다는 사실은 이미 많이 알려져 있는데요. 지난 20년 동안 과학자들은 달에 얼음 상태로 존재하는 물의 존재를 놓고 당혹스러워 했습니다. 달에 존재하는 물이 대체 어디서 유래했는지 알지 못했기 때문입니다.
달에 물은 어디 있을까?
아폴로 우주비행사들이 지구로 가져온 암석들은 바싹 말라 있었지만, <Geophysical Research Letters> 저널에 게재된 연구를 통해 과학자들은 달 표면 전체에서 물의 증거를 발견할 수 있었습니다. 이 연구에 따르면 물 분자는 달에 햇빛이 비추는 동안 달의 희박한 대기로 수증기가 떠올라 이동하다가 충분히 차가운 지점을 발견하면 다시 표면에 내려앉습니다. 그 덕분에 달에는 특정 지역이 아닌 표면 전체에 물이 고루 분포하게 됐다고 합니다. 하지만 달에 존재하는 물이 어디서 왔는지는 여전히 미스터리였습니다.
이에 과학자들은 여러 추측들을 쏟아냈는데요. 얼음으로 이뤄진 혜성이 달에 물을 전달했다는 이론이나 고대의 화산 분출로 뿜어져 나왔다는 이론이 대표적입니다. 그런데 최근 <미국국립과학원회보(PNAS)>에 게재된 연구에 따르면 달에 물을 만드는데 필요한 재료는 태양풍, 미소운석(micrometeorites), 열이면 충분할 것 같습니다.
핵심은 미소운석(micrometeorites)
달 표면은 '레골리스(regolith)'라 불리는 미세한 먼지로 덮여 있습니다. 달의 토양은 규산염으로 이뤄진 현무암질로 구성됐는데요. 달의 먼지에 포함돼 있는 산소와 태양의 상부 대기층에서 방출된 전하 입자의 흐름인 태양풍이 반응하며 달에 물이 만들어질 수 있는 듯 보였습니다. 문제는 지금까지 이 이론을 연구실에서 실험할 때마다 실패했다는 점입니다.
그런데 하와이대학교 연구진이 이 문제를 해결할 만한 단서를 찾게 됩니다. 태양풍이 달의 표면에 있는 광물들과 반응할 때 미소운석들이 그 반응을 한층 더 높여 물이 형성된다는 겁니다. 하와이대학교 연구진들은 이러한 가설을 연구실에서 시뮬레이션 해보았습니다. 놀랍게도 내부 압력이 커졌을 때 폭발이 발생하며 물로 채워진 웅덩이가 만들어졌습니다. 이때 만들어진 물은 기체 상태로 분사됐는데요. 마치 압력솥에서 갑자기 뿜어져 나오는 증기와 유사했습니다.
이 연구의 공동 저자인 하와이대학교의 행성학자 Jeffrey Gillis-Davis는 "그 모습에 놀랐는데, 파괴적으로 광물들이 폭발하며 만들어진 것이 아니라 물이 새어나올지도 모른다고 생각이 들었다"고 전했습니다. 즉, 미소운석이 야기하는 강력한 충격과 열이 달에 물을 형성하는데 핵심적인 작용을 했다는 것을 밝혀낸 셈인데요. 미소운석 충돌에 의해 발생하는 열로 인해 물이 형성되고 방출되는 듯 보입니다.
연구진은 이 화학 반응을 관측하기 위해 원통형 챔버 안에 감람석을 넣어준 뒤 낮은 달의 저압 환경을 만들었는데요. 챔버 안에 감람석을 넣은 이유는 달에서 발견되는 흔한 광물 중 하나이기 때문입니다. 이후 연구진들은 챔버 내에 중수소 이온을 주입했는데요. 중수소 이온은 태양풍에서 발견되는 일반적인 수소 이온과 유사하기 때문입니다.
하지만 연구진은 연구실에 이미 존재하고 있는 물에 의해 시료가 오염되지 않았는지 확인할 수 있도록 각 입자에 별도의 중성자를 부착해 실험을 진행했습니다. 이후 빗발치는 미소운석 충돌을 모사하기 위해 광물에 레이저를 쏘았습니다. 그리고 광물의 온도를 1,000K(700℃)이상으로 빠르게 높여줬습니다.
실험 결과, 이온 빔과 레이저를 모두 견뎌낸 감람석에서는 감지할 수 있을 정도의 중수(heavy water)가 분사돼 나왔는데요. 참고로 중수란 일반적인 경수(H2O)와 물리적 화학적 성질은 비슷하나 수소 원자가 좀 더 무거운 동위원소인 중수소로 바뀐 물을 말합니다.
NASA의 고다드 우주비행센터의 행성학자 Mehdi Benna는 지난 4월 <Nature Geoscience>저널에서 달에 유성체가 충돌할 때 마다 지표에서 대기로 수증기를 내뿜는다는 사실을 발견한 바 있습니다. Mehdi Benna은 "이번 연주팀이 사용한 방법은 달 환경에서 발생하는 물리적, 화학적 과정을 결합한 것이어서 실험실에서 재현하기에 매우 어려운 방법"이라고 말했습니다. 덧붙여 "태양의 양성자와 미소운석 충돌체 간의 시너지 효과가 달의 물이 형성되는데 중요한 작용을 한다"고 덧붙였습니다.
이번 연구는 달에 물이 어떻게 형성됐는지 그 해답을 일부 찾아냈다는 평가를 받습니다. 또한 태양계에 있는 화성, 소행성, 대기가 없는 천체에서도 이와 비슷한 반응이 일어날지도 모른다는 가능성을 제시합니다.
##참고자료##
- Hendrix, Amanda R., et al. "Diurnally Migrating Lunar Water: Evidence From Ultraviolet Data." Geophysical Research Letters 46.5 (2019): 2417-2424.
- Cheng Zhu, “Untangling the formation and liberation of water in the lunar regolith”, Proceedings of the National Academy of Sciences(2019)
- Benna, M., et al. "Lunar soil hydration constrained by exospheric water liberated by meteoroid impacts." Nature Geoscience (2019): 1.
