달의 남극에는 40억 년 된 비밀이 숨겨져 있다

달 뒷면에 있는 남극-에이트켄 충돌 분지는 남쪽 방향(이미지 하단)의 충돌로 형성되었습니다. 이 분지의 한쪽 면(선명한 빨간색)에는 방사성 "크립(KREEP)이 풍부한" 분출물 담요가 있는데, 여기에는 달 마그마 바다에서 발굴된 물질이 포함되어 있습니다. 아르테미스 우주비행사들은 분지 남쪽 끝(이미지 하단)에 있는 이 물질 안에 착륙할 것입니다. 사진 제공: 제프 앤드류스-하나/애리조나 대학교/NASA/NAOJ

NASA의 아르테미스 프로그램의 일환으로 향후 몇 년 안에 우주비행사들이 달 남극 근처에 착륙하게 되면, 달의 탄생에 대한 놀라운 단서들을 발견하게 될지도 모릅니다. 애리조나 대학교의 행성 과학자 제프리 앤드루스-한나가 이끄는 새로운 연구에서 이러한 가능성이 제기되었습니다.

10월 8일 네이처(Nature) 에 발표된 이 연구는 달의 초기 역사에 대한 생생한 그림을 그려냅니다. 또한 달 과학의 오랜 미스터리 중 하나인 달의 뒷면에는 왜 크레이터가 많은 반면, 1960년대와 1970년대 아폴로 달 착륙의 배경이 되었던 앞면은 비교적 매끈한지에 대한 실마리를 제공할 수도 있습니다.

약 43억 년 전, 태양계가 아직 초기 단계에 있을 때 거대한 소행성이 달의 뒷면에 충돌했습니다. 이 거대한 충돌은 남북으로 약 1,900km, 동서로 약 1,600km에 달하는 거대한 분화구인 남극-에이트켄 분지(SPA)를 형성했습니다. 길쭉한 타원형 모양은 소행성이 정면이 아닌 비스듬히 충돌했음을 시사합니다.

앤드류스-해나 연구팀은 SPA를 태양계 전역의 다른 거대 충돌 지점과 비교함으로써 일관된 패턴을 발견했습니다. 이 거대한 충돌구는 충돌체가 진행하는 방향으로 좁아져 눈물방울이나 아보카도와 유사한 모양을 형성합니다. 소행성이 남쪽에서 왔다는 초기 가정과는 달리, 분석 결과 SPA 분지는 남쪽으로 갈수록 가늘어지며, 이는 소행성이 북쪽에서 왔을 가능성이 높다는 것을 의미합니다. 연구진은 남쪽, 즉 하행 영역 가장자리는 달 깊숙한 곳에서 분출된 두꺼운 파편층에 묻혀 있을 것으로 추정하는 반면, 북쪽, 상행 영역 가장자리는 이러한 물질이 더 적을 것으로 추정했습니다.

"이것은 아르테미스 임무가 달의 가장 크고 오래된 충돌 분지를 연구하기에 가장 좋은 장소인 충돌 분지의 아래쪽 가장자리에 착륙한다는 것을 의미합니다. 달 내부 깊숙한 곳에서 나온 대부분의 분출물, 즉 물질이 쌓여 있을 것입니다."라고 그는 말했습니다.

달의 지형, 지각 두께, 그리고 표면 화학 성분을 연구함으로써 북에서 남으로의 충돌에 대한 추가적인 증거가 발견되었습니다. 이러한 단서들은 소행성의 북반구 기원설을 뒷받침할 뿐만 아니라, 달의 내부 구조와 시간이 지남에 따라 어떻게 진화했는지에 대한 새로운 세부 사항들을 밝혀냅니다.

과학자들은 초기 달이 한때 완전히 녹아 전 지구적인 "마그마 바다"를 형성했다고 오랫동안 믿어 왔습니다. 달이 식으면서 밀도가 높은 광물들은 가라앉아 맨틀을 형성했고, 가벼운 광물들은 위로 떠올라 지각을 형성했습니다. 그러나 일부 원소들은 이 단단한 층에 제대로 들어맞지 않고 마지막 남은 용융 물질에 축적되었습니다. 이러한 잔류 성분에는 칼륨, 희토류 원소, 그리고 인이 포함되었는데, 이들은 통칭 "크립(KREEP)"으로 알려져 있으며, "K"는 칼륨의 화학 기호를 나타냅니다. 앤드류스-한나는 이러한 원소들이 달의 앞면에 특이하게 집중되어 있다는 점에 주목했습니다.

"소다 캔을 냉동실에 넣어둔 적이 있다면, 물이 고체화되는 과정에서 고과당 옥수수 시럽이 마지막까지 얼지 않고 마지막 액체 조각에 농축되는 것을 보았을 것입니다."라고 그는 말했습니다. "우리는 달에서 크립(KREEP)과 비슷한 일이 일어났다고 생각합니다."

수백만 년에 걸쳐 식으면서 마그마 바다는 점차 굳어져서 지각과 맨틀을 이루게 되었습니다. "그리고 결국 맨틀과 지각 사이에 아주 작은 액체만 남게 되는데, 그것이 바로 크립(KREEP)이 풍부한 물질입니다."라고 그는 말했습니다.

앤드류스-하나에 따르면, 크립(KREEP)이 풍부한 물질과 열을 발생시키는 원소들이 달의 앞면에 집중되어 달이 가열되고, 격렬한 화산 활동으로 어두운 화산 평원이 형성되어 지구에서 달의 '얼굴'을 보는 듯한 익숙한 풍경이 탄생했다고 합니다. 그러나 크립이 풍부한 물질이 왜 앞면에 위치하게 되었는지, 그리고 그 물질이 시간이 지남에 따라 어떻게 진화했는지는 아직 미스터리로 남아 있습니다.

"달의 지각은 지구를 향하는 앞면보다 뒷면이 훨씬 두껍습니다. 이러한 비대칭성은 과학자들을 오늘날까지도 의아하게 만들고 있습니다. 이러한 비대칭성은 마그마 바다의 마지막 단계를 포함하여 달 진화의 모든 측면에 영향을 미쳤습니다."라고 앤드류스-하나는 말했습니다.

"저희 이론은 지각이 멀리 있는 쪽에서 두꺼워지면서 아래의 마그마 바다가 마치 튜브에서 치약을 짜내는 것처럼 옆으로 짜여 나와서 대부분이 앞쪽으로 모였다는 것입니다."라고 그는 말했습니다.

SPA 충돌 분화구에 대한 새로운 연구는 분화구 주변에서 놀랍고 예상치 못한 비대칭성을 발견했는데, 이는 바로 이러한 시나리오를 뒷받침합니다. 서쪽 면의 분출물 덮개에는 방사성 토륨이 풍부하지만 동쪽 면에는 없습니다. 이는 충돌로 인해 생긴 균열이 크립(KREEP)이 풍부한 마그마 바다의 마지막 잔해가 깔린 지각과 "일반" 지각을 분리하는 경계 바로 위에 달 표면을 관통하는 창을 형성했음을 시사합니다.

앤드류스-하나는 "우리 연구는 이러한 물질의 분포와 구성이 마그마 바다 진화의 마지막 단계를 모델링하여 얻은 예측과 일치한다는 것을 보여줍니다."라고 말했습니다. "달 마그마 바다의 마지막 찌꺼기는 앞면에 도달했는데, 이곳에서 방사성 원소 농도가 가장 높습니다. 하지만 그보다 더 이른 시기에는 뒷면 일부 아래에 얇고 고르지 못한 마그마 바다층이 존재했을 것이며, 이것이 SPA 충돌 분지 한쪽에 방사성 분출물이 존재하는 이유를 설명합니다."

달의 초기 역사를 둘러싼 많은 미스터리가 여전히 남아 있으며, 우주비행사들이 샘플을 지구로 가져오면 연구자들은 퍼즐의 더 많은 조각을 찾을 수 있기를 기대합니다. 앤드류스-한나에 따르면, 이 연구에 사용된 것과 같은 궤도 우주선이 수집한 원격 탐사 데이터는 연구자들에게 달 표면의 구성에 대한 기본적인 정보를 제공합니다. 크립(KREEP)이 풍부한 물질의 중요한 원소인 토륨은 쉽게 발견할 수 있지만, 그 구성에 대한 더 자세한 분석을 얻는 것은 훨씬 더 어려운 일입니다.

그는 "해당 샘플은 애리조나 대학을 포함한 전 세계 과학자들이 분석할 것입니다. 애리조나 대학은 이러한 유형의 분석을 위해 특별히 설계된 최첨단 시설을 갖추고 있습니다."라고 말했습니다.

"아르테미스를 통해 우리는 지구에서 연구할 샘플을 확보하게 될 것이고, 그 샘플들이 정확히 무엇인지 알게 될 것입니다."라고 그는 말했다. "우리 연구는 이 샘플들이 달의 초기 진화에 대해 생각했던 것보다 훨씬 더 많은 것을 밝혀낼 수 있음을 보여줍니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251012054611.htm