지구 내부에 존재하는 고대 행성 충돌의 거대한 잔해

지구의 깊은 부분에는 달의 두 배 크기의 거대한 물질 덩어리가 있습니다. 이 거대한 물질의 덩어리에 대해 조사한 애리조나 주립대학의 연구자들은 이것이 태고의 지구에 충돌한 행성의 잔해임을 발견했습니다.

Moon-forming impactor as a source of Earth’s basal mantle anomalies | Nature
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06589-1

ASU researchers discover Earth's blobs are remnants of an ancient planetary collision | ASU News
https://news.asu.edu/20231101-asu-researchers-discover-earths-blobs-are-remnants-ancient-planetary-collision

ASU researchers discover Earth's blobs are remnants of an ancient planetary collision

1980년대 물리학자는 놀라운 발견을 했습니다. 그 발견은 지구의 중심 근처의 심부에 대륙 정도의 크기의 드문 물질 덩어리가 2개 존재한다'는 것입니다. 이 물질 덩어리 중 하나는 아프리카 대륙의 지하에 존재하고 다른 하나는 태평양 아래에 있습니다.

지난 10년간의 연구에서 각각의 덩어리는 달의 2배 정도의 크기이고 주위에 있는 맨틀과는 다른 비율의 원소로 구성되어 있을 가능성이 높은 것도 판명되었습니다. 덧붙여 이 달의 2배나 많은 물질의 덩어리는 'LLSVP'라고 불리고 있습니다.

이 LLSVP가 어디에서 왔는지를 조사하는 최신 연구에서 LLSVP는 수십억 년 전에 일어난 행성의 충돌에서 발생한 잔해일 가능성이 지적되었습니다. LLSVP 형성의 수수께끼에 대해 조사한 애리조나 주립대학 지구우주탐색학부의 연구팀은 해당 논문을 2023년 11월 1일 학술지 Nature에 게재했습니다.

과학자들은 1980년대부터 지구의 심부에 비정상적인 조성으로 기원 불명의 거대한 덩어리인 LLSVP의 존재를 인식하고 있었습니다. LLSVP는 매우 거대해 지구의 표면에 배치하면 약 60마일(약 100km)의 두께의 층이 생겨 버린다고 합니다.

달은 지구와 테이아라는 작은 행성이 충돌했을 때의 여파로 탄생했다는 가설이 세워져 있는데 소행성대나 운석으로부터 테이아의 흔적은 발견되지 않았습니다. 그러나 Qian Yuan 박사연구원을 중심으로 한 연구팀에 의하면 테이아의 대부분은 태고의 지구에 흡수되어 LLSVP를 형성했을 가능성이 있는 모양. 그리고 테이어의 충돌에 의해 발생한 단편이 달을 형성했을 가능성이 있다고 합니다.

New Supercomputer Simulation Sheds Light on Moon’s Origin - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=kRlhlCWplqk

애리조나 주립대학의 지구우주탐사학부의 Steven Desch 교수는 “달의 내부에는 충돌 전 지구와 테이어를 모두 나타내는 물질이 포함되어 있는 것으로 알려져 있는데, 지구에 있는 테이어의 잔존물은 몇십억 년에 걸친 지구 내부의 역학(맨틀 대류 등)에 의해 소거되어 버려서 균질화된 것으로 생각되었습니다. 이번 연구결과는 핵과 맨틀의 경계에 그 파편이 존재한다는 것을 논증하는 첫 번째 연구"라고 설명했습니다.

연구자들은 지구를 통과하는 지진파를 측정하여 LLSVP를 발견했습니다. 지구의 심부에 있는 LLSVP는 철의 함량이 비정상적으로 높기 때문에 지진파의 통과를 매우 느리게 전달합니다. 그 때문에 1980년대에서도 지구의 심부에 거대한 물질구성이 다른 덩어리가 존재하는 것을 인식할 수 있었다고 합니다.

연구에 참여한 Ed Garnero 교수는 “지구 안에 존재하는 덩어리는 우리의 달을 형성한 행성충돌의 잔해로 추정되는데, 즉 이 거대한 덩어리는 지구 밖에서 온 물질이라는 것”이라고 보았습니다.

연구팀을 이끈 Yuan 박사연구원은 “달에는 비교적 많은 철이 포함되어 있고 달 형성의 원인이 된 지구에 충돌한 테이어의 흔적이 발견되지 않았다는 이야기를 들었을 때 LLSVP가 테이아의 잔해에 의해 형성되었을 가능성을 생각해 냈다"고 밝혔습니다.

연구팀은 테이어의 화학조성과 지구에 미치는 영향에 대한 다양한 시나리오를 모델링했습니다. 그 후 각 모델을 시뮬레이션한 결과에서 테이어가 지구에 충돌한 뒤 LLSVP와 달의 형성 모두에 연결되었을 가능성이 있는 것으로 나타났습니다.

테이어가 LLSVP와 달로 나뉘는 경우는 시뮬레이션에 의해 밝혀졌습니다. 시뮬레이션에 따르면 테이어가 지구에 충돌했을 때 발생하는 많은 에너지가 맨틀의 상반부에 남아 있으며 지구의 하반부에 있는 맨틀은 원래 추정보다 저온으로 남아있어서 완전히 녹지 않고 테이어 유래의 철분이 풍부한 물질이 LLSVP로 남아 있을 가능성이 있는 모양.

게다가 맨틀 대류의 시뮬레이션을 실시함으로써 테이아 유래의 철 함유율이 많은 물질이 지구의 맨틀 안에 가라앉아서 축적될 가능성이 있는 것도 밝혀졌습니다. 연구에 참여한 애리조나 주립대학의 Mingming Li 교수는 “테이어 유래 물질이 약 45억 년간 지구의 맨틀에 머물 가능성이 충분하다”고 보았습니다.

연구의 공동저자 중 한 명인 Travis Gabriel 씨는 “달 외부가 아닌 지구 안쪽으로 눈을 돌려 달을 형성하는 거대한 충돌이라는 태고의 우주에서 일어난 대사건의 흔적을 발견할 수 있었다”고 말했습니다.