Mars’s lost water may be buried beneath the planet’s crust

내 낡은 지각 속의 바다…화성의 물은 어디에?

고대 화성에는 물이 풍부했다. 하지만 언젠가부터 화성은 춥고 건조한 행성이 되었다. 원인은 대기 손실이라는 게 여태까지의 중론이었다. 그를 반박하는 새로운 가설이 등장했다.

수십억 년 전의 화성은 호수와 바다를 품은 따뜻한 행성이었다. 허나 약 30억년 전, 그 모든 수역은 행성 표면에서 사라졌다. 여태까지 과학자들은 화성의 대기가 옅어짐에 따라 물이 증발하며 우주 어딘가로 소실된 것으로 생각했다.

하지만 실은 그 많던 호수와 바다의 물이 ‘하늘 위’가 아니라 ‘땅 아래’로 향했을지도 모른다는 연구 결과가 발표되었다. 칼텍 연구원들이 16일 사이언스지에 발표한 최신 모델에 따르면, 고대 화성을 덮었던 물의 상당량(30~99%)은 아직 화성 지하에 존재하는 것으로 추정된다. 

행성지질학자이자 이번 논문의 주저자인 칼텍의 에바 L. 셸러(Eva L. Scheller)는 “이번 연구는 수십 년간 진행되어 온 연구들의 토대 위에 세워졌다”며 “새 관측 결과가 쌓여갈수록 화성을 덮던 물이 어디로 갔는지에 대한 새로운 가설들이 설득력을 얻게 되었다”고 말했다.

고대 화성 표면에 존재했던 물의 총량은 100~1500 m GEL(meters global equivalent layer) 정도로 현재 추정되고 있다. (m GEL은 행성 표면 전체를 1m 높이의 물로 고르게 덮는 데에 필요한 수량[水量]의 단위이며, 1000 m GEL 정도면 대서양 수량의 절반에 해당한다.) 화성에 생명체가 존재했다면, 추정치의 하한(100 m GEL)도 생명 활동을 지속하기에는 충분했을 것이다.

그 많던 물이 어떻게 사라졌는지를 알게 되면, 화성의 어느 지역을 조사해야 잠재적 생명체의 흔적을 찾을 확률이 가장 높을지도 정해지게 된다. 현재는 물론 미래의 화성 탐사가 어떻게 진행되어야 할 지에도 큰 영향을 미칠 중요한 주제다.

화성 물 손실의 원인을 ‘대기 손실'(atmospheric loss)로 가정하는 기존 모델들에 따르면, 고고도에 도달한 물은 자외선으로 인해 수소와 산소로 분해된 뒤 대기를 빠져나가 우주 어딘가로 빠져나간다. 둘 중 더 가벼운 수소 분자들이 특히 많이 유실된다. 과학자들은 이 모델에 기반해 유럽우주국(ESA)-러시아 합작의 미량가스궤도선(TGO, Trace Gas Orbiter)에 실린 고해상도 열외중성자 검출기(FREND, Fine Resolution Epithermal Neutron Detector)와 같은 기기들을 이용해 수소 손실을 추적하고, 그를 통해 화성의 물 손실을 역산한다. 

허나 이 모델에는 두 가지 문제점이 있다. 첫째, TGO 등에서의 관측에 의하면 화성 지각에는 아직도 상당량의 수분이 존재하는 것으로 보인다. 둘째, 지금까지 관측된 수소 손실률은 현재 추정되는 고대 화성의 물 보유량보다 지나치게 낮다. 셸러는 “대기 손실로는 전체 현상의 일부밖에 설명하지 못한다”고 말한다.

화성 지각이 머금고 있는 물의 규모가 정확히 어느 정도인지에 대한 우리의 지식은 최근에 많이 늘었다. 큐리오시티 등 탐사 로버들을 통한 화성 암석 직접 조사, 그리고 지구에 떨어진 운석들의 연구·분석 덕분이다. 데이터가 늘어감에 따라 과학자들은 화성 표면의 물 손실에 있어 지각의 역할은 생각보다 컸을 것이라고 추측하기 시작했다.

이러한 최신 데이터에 기반해 셸러와 동료 연구자들은 화성의 물이 우주가 아니라 지하로 사라졌을 가능성을 탐색할 새로운 모델을 고안해냈다.

지각으로 흡수된 물이 지하에서 다시 한데 모여 거대한 숨겨진 바다를 이루고 있다는 건 아니다. 화학적 풍화 작용을 통해 점토와 같은 광물 구조들에 엉겨 붙어 있을 가능성이 높다. 이는 지구에서도 일어나는 일이다.

수화광물(hydrated mineral)과 광맥을 형성하는(vein-forming) 광물들은 화성 어디에서나 찾을 수 있다. 새 모델에 따르면, 화성 형성 후 첫 10~20억 년 사이 손실된 수분의 30~99%가량은 이러한 수화광물의 일부가 된 것으로 추정된다. 여분만이 대기 손실로 인한 부분이다.

이 연구에 참여하지 않은 콜게이트대 지질학자 조 레비(Joe Levy)는 신모델이 “굉장히 흥미롭다”고 평하며, 화성의 물이 어디로 갔는지 급격한 화학적 풍화를 통해 설명하려는 것은 “상당히 도발적인 가설”이라고 말했다.

물론 ‘30~99%’는 굉장히 넓은 범주다. 허나 그보다 정확한 추산을 하기에는 아직 정보가 부족하다. 지각 속에 물이 얼마나 있는지, 고대 화성의 대기 환경이 어땠는지, 당시 환경이 대기 손실을 촉진했는지 혹은 억제했는지 등에 대해 우리는 아직 알고 있는 게 적다. 화산 활동과 같은 고대 지질 활동이 물 손실에 미친 영향 또한 고려해봐야 한다.

신모델은 화성의 생명체 거주 가능성에 대한 새로운 단서를 제공하기도 한다. 셸러는 이번 연구가 “화성의 물 손실이 ‘어떻게’ 일어났는지뿐만 아니라 ‘언제’ 일어났는지도 다룬다”고 강조했다. 논문의 저자들은 화성 지각 속 수화광물의 나이가 30억년 이상이라고 확신하고 있다. 따라서 화성의 생명체 거주 가능성이 가장 높았을 시기는 그보다 이전이다. 고대 생명체의 흔적을 찾기 위해선 나이가 30억년을 훌쩍 넘는 암석들을 살펴봐야 할 것이란 결론이 나온다.

셸러는 큐리오시티와 퍼서비어런스 둘 다 알맞은 연령대의 암석들을 찾아와 줄 수 있으리라 생각하고 있다. 실제로 파견의 주 목적이 ‘생명체 흔적 탐지’인 퍼서비어런스는 38억년 전 형성된 호숫바닥을 살펴볼 예정이다. 셸러는 퍼서비어런스 탐사를 통해 어떤 메커니즘으로 인해 수화광물로의 물 격리(water sequestration)가 일어났는지 밝혀지기를 기대하고 있다. 현지 연구 진행이 힘든 경우에도 퍼서비어런스는 과학자들이 지구에서 연구를 진행할 수 있게끔 샘플을 채집할 예정이다.

지각 속 수화광물로 지상의 물이 빨려가는 현상이 화성에서만 일어나지는 않지만, 지구에서는 판(tectonic plate)들의 활동으로 인해 수화광물에 붙잡힌 물이 정기적으로 다시 꺼내지고 재활용된다. 또 두터운 대기층 덕분에 생명이 진화하고 번성할 수 있는 온도가 지속적으로 유지된다. 판 자체가 없고, 40억년 전 자기장이 붕괴됨에 따라 대기층도 대거 유실된 화성과는 환경적 차이가 크다.

셸러는 “생명체 존재 가능성이 있는 행성에 대해 논할 때 꼭 명심해야 할 한 가지는 그런 행성이 존재할 조건은 매우 깨지기 쉽다는 점이다”라고 말한다.

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