MIT, 지구 깊은 곳에서 잃어버린 세계의 흔적 발견

MIT 과학자들이 최초의 "원시 지구"의 화학적 흔적을 발견했습니다. 이는 현대 지구를 만든 대격변 이전의 잔해입니다. 출처: Pixabay

MIT와 협력 기관의 연구진은 약 45억 년 전 지구에 존재했던 고대 원시 지구(proto Earth)의 극히 드문 흔적을 발견했습니다. 이 원시적인 세계는 거대한 충돌로 인해 화학적 구조가 완전히 바뀌어 오늘날 우리가 살고 있는 지구가 탄생하기 전에 형성되었습니다. 10월 14일 Nature Geosciences 에 발표된 이 발견은 과학자들이 지구뿐만 아니라 태양계의 나머지 부분을 형성한 초기 구성 요소를 재구성하는 데 도움이 될 수 있습니다.

수십억 년 전, 태양계는 거대하고 회전하는 가스와 먼지 구름이었습니다. 시간이 흐르면서 이 물질들이 고체로 합쳐져 최초의 운석을 형성했습니다. 이 운석들은 반복적인 충돌을 통해 점차 합쳐져 원시 지구와 그 주변 행성들을 형성했습니다.

초기 지구는 용암으로 뒤덮인 녹은 세계였습니다. 1억 년이 채 지나지 않아, 과학자들이 "거대 충돌"이라고 부르는 화성 크기의 천체가 어린 지구에 충돌하는 참사를 겪었습니다. 이 충돌로 지구 내부가 녹아내리고 섞이면서 원래의 화학적 구성 요소가 대부분 사라졌습니다. 수십 년 동안 과학자들은 원시 지구의 흔적이 그 우주적 대격변으로 완전히 파괴되었다고 믿어 왔습니다.

그러나 MIT 팀의 새로운 결과는 이러한 가정에 이의를 제기합니다. 연구진은 고대의 깊은 암석 샘플에서 오늘날 지구에서 발견되는 대부분의 물질과는 다른 특이한 화학적 특징을 발견했습니다. 이 특징은 칼륨 동위원소(같은 원소이지만 중성자 수가 다른 원자)의 미세한 불균형으로 나타납니다. 광범위한 분석 끝에 과학자들은 이러한 이상 현상이 이후의 충돌이나 지구 내에서 진행 중인 지질학적 과정으로 인해 발생했을 리가 없다고 결론지었습니다.

가장 그럴듯한 설명은 이 암석들이 원시 지구의 원래 물질 중 아주 작은 부분을 보존하고 있으며, 어떻게든 지구의 격렬한 재형성에서 살아남았다는 것입니다.

"이것은 아마도 원시 지구 물질을 보존해 왔다는 최초의 직접적인 증거일 것입니다."라고 MIT 지구 및 행성 과학 폴 M. 쿡 경력 개발 조교수인 니콜 니는 말합니다. "우리는 거대한 충돌 이전부터 존재했던 매우 오래된 지구의 일부를 목격하고 있습니다. 이 매우 초기의 흔적이 지구의 진화 과정에서 서서히 사라질 것으로 예상되었기 때문에 이는 놀라운 일입니다."

니에의 공동 저자로는 청두 이공대학(중국)의 다 왕, 카네기 과학 연구소(워싱턴 D.C.)의 스티븐 시레이와 리처드 칼슨, 스위스 취리히 연방 공과대학(ETH Zürich)의 브래들리 피터스, 캘리포니아 스크립스 해양 연구소의 제임스 데이가 있습니다.

호기심을 끄는 변칙성

2023년, 니와 그녀의 연구팀은 전 세계에서 수집된 수많은 잘 기록된 운석들을 조사했습니다. 이 운석들은 태양계 전역의 서로 다른 시간과 장소에서 형성되었으며, 수십억 년에 걸쳐 변화하는 태양계의 화학적 구성을 포착했습니다. 연구진은 운석들의 조성을 지구의 조성과 비교했을 때 특이한 "칼륨 동위원소 이상 현상"을 발견했습니다.

칼륨은 자연적으로 칼륨-39, 칼륨-40, 칼륨-41의 세 가지 동위원소 형태로 존재하며, 각 형태는 원자량이 약간씩 다릅니다. 현대 지구에서는 칼륨-39와 칼륨-41이 우세한 반면, 칼륨-40은 극소량만 존재합니다. 그러나 운석의 동위원소 비율은 지구에서 일반적으로 관찰되는 것과는 달랐습니다.

이 발견은 동일한 종류의 칼륨 불균형을 보이는 물질은 모두 거대 충돌로 인해 지구의 화학 구조가 변화하기 전에 존재했던 물질에서 유래했음을 시사합니다. 본질적으로, 이 이상 현상은 원시 지구 물질의 흔적으로 작용할 수 있습니다.

"그 연구에서 우리는 서로 다른 운석이 서로 다른 칼륨 동위원소 특징을 가지고 있다는 것을 발견했고, 이는 칼륨이 지구의 구성 요소를 추적하는 데 사용될 수 있다는 것을 의미합니다."라고 니는 설명합니다.

다르게 만들어졌다

이번 연구에서 연구팀은 운석이 아닌 지구 내부에서 칼륨 이상 징후를 찾았습니다. 샘플에는 그린란드와 캐나다에서 채취한 분말 형태의 암석이 포함되어 있는데, 이 두 곳에서는 가장 오래된 암석이 보존되어 있습니다. 또한 하와이에서 채취한 용암 퇴적물도 분석했습니다. 하와이 화산 활동으로 지구에서 가장 오래되고 깊은 곳의 물질들이 맨틀(지각과 핵을 구분하는 지구에서 가장 두꺼운 암석층)에서 분출되었습니다.

니에는 "이 칼륨 특징이 보존된다면, 우리는 먼 시간과 먼 지구에서 그것을 찾아보고 싶을 것입니다."라고 말했습니다.

연구팀은 먼저 다양한 분말 시료를 산에 녹인 후, 나머지 시료에서 칼륨을 조심스럽게 분리하고 특수 질량 분석기를 사용하여 칼륨의 세 가지 동위원소 비율을 측정했습니다. 놀랍게도, 이 시료에서 지구상 대부분의 물질에서 발견되는 것과는 다른 동위원소 특징을 발견했습니다.

구체적으로, 그들은 칼륨-40 동위원소의 결핍을 발견했습니다. 지구상 대부분의 물질에서 이 동위원소는 칼륨의 다른 두 동위원소에 비해 미미한 수준입니다. 그러나 연구진은 샘플에서 칼륨-40의 함량이 훨씬 더 낮다는 것을 알아냈습니다. 이 미미한 결핍을 발견하는 것은 마치 양동이에서 노란 모래 한 숟갈을 발견하는 것보다는 갈색 모래 한 알을 발견하는 것과 같습니다.

연구팀은 실제로 샘플에서 칼륨-40이 부족한 것을 발견했는데, 이는 이 물질들이 "오늘날 지구에서 볼 수 있는 대부분의 물질과 비교했을 때 다르게 만들어졌다"는 것을 보여준다고 니에 박사는 말했다.

하지만 이 표본들이 원시 지구의 희귀한 잔해일 수 있을까요? 이 질문에 답하기 위해 연구진은 그럴 가능성이 있다고 가정했습니다. 만약 원시 지구가 원래 칼륨-40이 부족한 물질로 만들어졌다면, 이 물질의 대부분은 거대한 충돌과 그에 따른 작은 운석 충돌로 인해 화학적 변화를 겪었을 것이고, 궁극적으로 오늘날 우리가 보는 것처럼 칼륨-40이 더 많은 물질이 만들어졌을 것이라고 추론했습니다.

연구팀은 알려진 모든 운석의 성분 데이터를 활용하여, 이 운석들과 거대 운석의 충돌 이후 샘플의 칼륨-40 결핍이 어떻게 변화하는지 시뮬레이션을 수행했습니다. 또한, 맨틀의 가열 및 혼합과 같은 지구가 시간에 따라 경험하는 지질학적 과정도 시뮬레이션했습니다. 최종적으로, 시뮬레이션 결과 캐나다, 그린란드, 하와이에서 채취한 샘플보다 칼륨-40의 함량이 약간 더 높은 성분이 생성되었습니다. 더 중요한 것은, 시뮬레이션된 성분이 대부분의 현대 물질과 일치했다는 것입니다.

이 연구에 따르면 칼륨-40이 부족한 물질은 원시 지구의 원래 물질이 남아 있을 가능성이 높습니다.

흥미롭게도, 이 샘플의 특징은 지질학자들이 소장하고 있는 다른 운석과 정확히 일치하지 않습니다. 연구팀의 이전 연구에 사용된 운석들은 칼륨 이상을 보였지만, 원시 지구 샘플에서 발견된 것과는 정확히 일치하지 않습니다. 즉, 원시 지구를 형성했던 운석과 그 구성 물질이 아직 발견되지 않았다는 것을 의미합니다.

"과학자들은 다양한 운석 그룹의 성분을 결합하여 지구의 원래 화학 성분을 이해하려고 노력해 왔습니다."라고 니는 말합니다. "하지만 저희 연구는 현재 운석 목록이 완전하지 않으며, 지구의 기원에 대해 더 많은 것을 알아내야 한다는 것을 보여줍니다."

이 연구는 일부 NASA와 MIT의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251016223056.htm