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[교과서 밖 과학] 이토카와 소행성 수분, 지구의 물과 성분 일치… 힘받는 소행성 충돌설

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[변태섭기자의 교과서 밖 과학]

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일본 소행성탐사선 ‘하야부사 1호’가 이토카와 소행성 주변을 선회하는 모습을 그린 상상도. 일본우주항공연구개발기구(JAXA) 제공

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“지구에 있는 많은 양의 물은 우주에서 왔다.”

미국 애리조나주립대 연구진은 이달 3일 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시즈’에 발표한 논문에서 이렇게 주장했다. 물을 갖고 있는 수많은 소행성이 계속 부딪히면서 지구에 물을 가져다 줬다는 소행성 충돌설에 힘을 싣는 연구결과다. 현재 바다의 면적은 3억6,100만㎢로 지구 표면의 약 71%나 된다.

연구진이 충돌설의 근거로 내세운 건 이토카와 소행성이다. 이토카와 소행성은 아주 오래 전 지름이 19.3㎞나 되는 소행성의 일부였다. 그러다 어느 시점에 537~815도까지 가열된 뒤 다른 소행성과 충돌하면서 여러 조각으로 쪼개졌고, 그 중 두 개가 붙어 현재와 같은 땅콩 모양의 이토카와 소행성이 됐다. 이 소행성의 길이는 548m, 너비는 213~304m다. 앞서 2010년 일본 소행성탐사선 ‘하야부사 1호’는 지구와 화성 사이 궤도를 18개월 주기로 돌고 있는 이 소행성의 암석 샘플을 채집해 귀환했다. 이번 연구는 이때 얻은 암석 표본 1,500여개 중 5개를 대상으로 했다. 소행성은 빛을 받았을 때 반사하는 비율(반사율) 등에 따라 S형(암석질), C형(탄소질), D형(규산염과 탄소질) 소행성 등으로 구분하는데, 이토카와 소행성은 S형에 해당한다. S형 소행성은 전체 소행성의 약 17%를 차지한다.

애리조나주립대 연구진은 이토카와 소행성 표본 5개 중 2개에 규산염 광물 중 하나인 휘석(pyroxene)이 포함돼 있다는데 주목했다. 물을 갖고 있었다고 볼 수 있는 증거이기 때문이다. 지구에서 휘석은 결정구조 안에 물을 갖고 있다. 연구진은 나노스케일 2차 이온질량분광기(NanoSIMS) 장비를 이용, 과거에 이토카와 소행성이 물을 얼마나 갖고 있었을지 측정했다. 다른 소행성과의 충돌 등 이토카와 소행성의 모체가 겪은 여러 사건으로 인한 영향을 보정한 값이다.

그 결과 이토카와 소행성 표본이 각각 680ppm, 988ppm의 물을 함유했을 것으로 추정했다. 지구의 지각은 1만5,000~2만ppm의 물을 갖고 있다. 연구진은 “이토카와 행성과 성질이 비슷한 S형 소행성이 지구에 물을 전달하는 주요 공급원이었을 것”이라고 말했다.
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미국 애리조나주립대가 분석한 이토카와 소행성 암석 표본 5개 중 휘석 성분이 발견된 표본 2개의모습. 일본우주항공연구개발기구(JAXA) 제공

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특히 이토카와 소행성에 함유된 수분의 중수소 비율이 지구의 물(0.00015)과 일치했다. 우주의 물이 바다 등 지구에 있는 엄청난 물의 씨앗이 됐다는 충돌설을 뒷받침하는 핵심적 증거라는 게 연구진의 설명이다. 중수소 비율이 같다는 건 물의 특성이 동일하다는 것으로, 지구의 물과 소행성의 물이 같은 뿌리를 두고 있을 가능성이 높다는 뜻이기 때문이다. 물 분자의 중수소 비율 0.00015는 수소원자 10만개 중 수소의 동위원소인 중수소 원자가 15개 있다는 얘기다.

하지만 모든 소행성이 지구에 전달할 만큼 물을 풍부히 갖고 있는 건 아니다. 일본우주항공연구개발기구(JAXA)는 올해 3월 국제학술지 ‘사이언스’에 “지구에서 3억4,000만㎞ 떨어진 소행성 류구에게서 물의 존재를 확인했다”는 내용을 발표했다. 하지만 연구진은 “물의 함유량은 예상보다 훨씬 적었다”고 밝혔다. 다른 소행성과의 충돌, 류구 내부 방사성 물질이 내는 열로 인한 증발 등을 그 이유로 들었다. 류구는 탄소가 주요 성분인 C형 소행성이다. 2014년 12월 발사된 일본의 소행성 탐사선 ‘하야부사 2호’가 올해 2월 류구에 착륙했으며, 암석 표본을 채취해 내년 지구로 되돌아올 예정이다.

지구에 있는 물의 기원을 설명하는데 소행성 충돌설이 유력하지만 또 다른 가설도 있다. 화산활동설은 그 중 하나다. 약 46억년 전 생성된 지구는 불덩이처럼 뜨거웠다. 이곳저곳에서 화산폭발이 일어나면서 메탄과 수소, 암모니아, 수증기 등 지구 내부에 있던 기체들이 대기층을 형성했고, 수백 년 넘게 비가 내리면서 바다를 형성하게 됐다는 것이다. 소행성 충돌설과 비슷한 맥락으로, 혜성으로부터 지구의 물이 전달됐다는 혜성 유래설도 있다.

변태섭기자 libertas@hankookilbo.com