지구에 있는 물의 형성 기원은 혜성이 아니다.소행성일 가능성이 높다.”
지구로부터 5억1천만km떨어진 67P/추류모프-게라시멘코(67P) 혜성 궤도상의 로제타탐사선이 보내온 혜성 성분분석 결과가 지구 바다의 기원설에 또다시 논란을 불러일으키고 있다.
美항공우주국(NASA)은 유럽우주국(ESA)이 쏘아올린 로제타탐사선의 로시나계측기로 측정한 결과 67P혜성 수증기의 구성성분이 지구에서 발견된 성분과 엄청나게 다르다는 것을 발견했으며, 이에따라 지구 상에 있는 물의 기원이 어디인지에 대한 논란이 재점화되고 있다고 밝혔다.
지구토양의 물이 67P혜성에서 오지 않았음을 보여주는 로제타탐사선의 이온및중성분석스펙트럼계측기(ROSINA,로시나) 데이터 분석결과는 10일자 사이언스잡지에 실렸다.
과학자들은 로제타가 밝혀낸 이 새로운 발견 결과에 대해 ▲지구의 물이 지구궤도에 보다 가까이 온 소행성같은 천체로부터 얻어졌을 것이며 ▲원시지구의 물이 지구의 광물질이나 남북극 지역에 보존돼 있을 가능성을 더욱더 높여주는 것으로 보고 있다.
■67P혜성 수증기 성분, 지구의 물과 달라...혜성 대신 소행성 기원설 높아져
지구의 바다가 만들어진 기원에 대한 의문은 행성 지구의 형성 및 생명의 기원에 대한 가장 중요한 의문 가운데 하나다. 가장 일반적인 이론은 지구에 있는 물이 혜성이나 소행성의 충돌에 의해 옮겨져 왔다는 것이다.
이번 발견결과에 따라 ESA연구진들은 지구의 물이 이보다 늦은 시기에 작은 천체로부터 온 것으로 보고 있다. 하지만 어느 작은 천체가 지구의 물을 형성했는지는 정확하지 않다.
현재 제기되고 있는 3가지 가능성으로는 목성으로부터 온 소행성같은 작은 천체, 해왕성궤도 안에서 형성된 오르트구름혜성(Oort cloud comets), 그리고 해왕성 궤도 바깥에서 형성된 카이퍼벨트(Kuiper Belt)혜성이다.
지구의 물이 어디서 왔는지를 결정하는 열쇠는 동위원소의 비율이다. 즉 듀테륨이라는 무거운 수소 동위원소 수준을 측정하는 것이다. 과학자들은 다른 물체에 있는 듀테륨과 수소비율(D/H(Deuterium/Hydrogen) ratio)을 측정해 비교함으로써 이 물체가 어디에서 왔는지 알아내게 된다. 또한 지구의 바다에 있는 D/H비율을 다른 천체의 그것과 비교함으로써 지구에 있는 물의 기원이 어디인지 알아내게 된다.
로제타에 장착된 로시나측정기의 데이터 분석결과에 따르면 67P 혜성의 D/H값이 지구의 그것에 비해 3배를 넘었다. 이는 태양계에서 측정된 것 가운데 가장 높은 수치다. 이는 67P혜성같은 천체가 지구상의 물형성의 원인이 됐을 가능성이 매우 낮다는 것을 의미한다.
D/H비율은 일반 수소동위원소보다 무거운 듀테륨으로 중수소의 비율을 말한다. 이는 서로 다른 단계에 있는 행성의 역사를 비교할 수 있는 신호를 제공한다.
맷 테일러 네덜란드 유럽우주국(ESA) 네덜란드기술센터 로제타 프로젝트 과학자는 “우리는 로제타의 방사선자동사진법(in situauto-radiography)이 항상 우리에게 놀라움을 던져줄 것이란 걸 알았다. 태양계과학의 좀더 큰 그림을 보게 해 주는 이 뛰어난 관찰은 분명 지구가 어디서 물을 얻게 됐는지에 대한 논쟁을 가열시킬 것”이라고 말했다.
■지구의 물 기원설: 혜성 vs 소행성
28년전인 지난 1986년 핼리혜성구름 탐사임무를 맡은 유럽지오토(European Giotto)탐사선에 실린 질량 스펙트럼분석기가 사상 최초로 혜성에서 D/H비율을 알아내는데 성공했다.
당시 이 비율은 지구보다 2배나 높은 것으로 드러났다.
이에따라 당시에는 장주기 핼리혜성과 같은 계열의 오르트구름혜성은 지구의 물 형성의 근원이 될 수 없다는 결론이 내려졌다. 이후 20년간 수많은 다른 오르트구름 혜성측정도 이뤄졌는데 모두가 핼리혜성과 매우 유사한 D/H비율을 보여주었다.
이에 따라 혜성에서 지구의 물이 왔다는 기원설이 시들해졌다. 하지만 허셸우주탐사선이 카이퍼벨트혜성(Kuiper Belt comet)으로 믿어지는 하틀리2(Hartley 2)혜성의 D/H 비율을 알아낸 덕분에 이같은 분위기가 바뀌었다. 발견된 D/H비율은 지구 토양의 D/H비율과 매우 유사했는데 이는 전혀 예상치 못한 것이었다.
이번 로제타탐사선의 로시나계측기가 67P혜성 표면을 분석한 결과는 지구의 물은 지구궤도에 보다 가까이 온 소행성같은 천체로부터 얻어졌을 것이며, 지구가 실제로 최소한 광물질이나 남북극 지역에 원래의 물을 보존하고 있을 가능성을 더욱더 높여주고 있다.
카트린 알트베그 로시나계측기책임자(스위스 베른대 교수)는 사이언스지 논문에서 “우리의 발견은 또한 목성 계열의 혜성이 단지 지구의 바다같은 물만을 포함하고 있다는 생각을 반박하고 있다”고 말했다. 그녀는 “우리의 발견은 소행성이 지구의 바다에 물을 형성시킨 주요한 전달 메커니즘이 된다는 모델설을 지지해주고 있다”고 주장했다.
혜성은 태양과 태양의 행성이 형성됐을 때부터 남겨진 원시 물질을 포함하고 있는 타임캡슐이다. 로제타 착륙선은 최초로 67P/추류모프-게라시메노 혜성표면 사진을 촬영했고 혜성에서 원시구성 물질을 분석해 제공하기 시작했다.
로제타는 혜성이 태양으로 다가가면서 점점더 강력해지는 태양에너지의 방출에 어떻게 변화할지를 가까이에서 지켜보게 될 최초의 우주탐사선이 될 전망이다.
로제타탐사선의 관찰결과는 과학자들에게 태양계의 시작과 진화, 그리고 혜성이 지구의 물 , 그리고 생명체의 형성에 있어서 어떤 역할을 했는지 등에 대해 더 많은 것을 알 수 있게 해줄 것으로 기대를 모으고 있다.
유럽우주국은 미항공우주국(NASA 나사)과 협력해 67P혜성 탐사 임무를 수행하고 있다.
■혜성의 기원
과학자들은 태양계 혜성들의 고향을 오르트 구름(Oort cloud)과 카이퍼벨트 두 곳으로 보고 있다.
일반적으로 단주기(200년 이하 궤도)혜성들은 태양으로부터 약 30AU(1AU:지구-태양간 거리 1.95억km)떨어진 해왕성 궤도에서 100AU거리 사이에 존재하는 얼음원반 조각으로 구성된 띠, 이른바 카이퍼 대(帶)(Kuiper Belt,카이퍼벨트)에서 발생한 것으로 여겨지고 있다.
헤일-밥 혜성과 같이 장주기(수천년)혜성들은 태양으로부터 50,000AU~1광년 떨어진 곳에 있는 것으로 여겨지는 공 모양의 오르트 구름(Oort cloud)에서 유래되었다고 생각된다. 성간 먼지로 이루어진 이 구름의 주성분은 수소와 헬륨이며, 구름 안에 수많은 혜성 핵이 있는 것으로 추정된다. 이는 46억 년 전 태양 을주위에 형성된 원시행성계 원반(protoplanetary disk)조각의 잔존물로 여겨지고 있다.
지구의 물은 어디에서 왔을까. 현재 가장 유력한 학설은 ‘지구 속에서 왔다’는 것이다. 수억년 동안 화산폭발을 통해 암석 속에 있던 물이 빠져 나와 현재의 바다를 만들었다는 이론으로 1894년 처음 등장했다. 그러나 우주에서 온 물이 바다를 만들었다는 주장이 최근 나와 관심을 끌고 있다. 1986년 미국 아이오와주립대의 루이스 프랭크 교수는 “물과 얼음으로 이뤄진 집채만 한 혜성 즉 ‘우주 눈덩이’가 지구 대기권으로 1분에 20여개씩 떨어진다”고 발표했다. 우주 눈덩이는 땅에 닿기 전에 수증기로 바뀐다. 이 이론은 처음에는 비웃음을 샀지만 11년 뒤 위성 사진에서 우주 눈덩이가 확인되면서 다시 주목을 받고 있다. 프랭크 교수는 “우주 눈덩이의 양은 2만년에 지구의 수면을 2∼3㎝ 증가시키며, 지구의 역사를 생각하면 현재의 바다를 채우기에 충분하다”고 주장한다. 수원대 김충섭 교수(물리학과)는 한국물리학회의 ‘물리학과 첨단기술’ 최근호에서 ‘2003년 물의 해’를 맞아 지구와 우주 곳곳의 물의 흔적과 기원에 대한 최신 연구를 소개했다. 달에는 물이 없는 것으로 알려져 있다. 달은 중력이 약하고 한낮 온도가 섭씨 120도까지 올라가 물이 우주로 다 증발해 버렸다는 것이다. 아폴로 우주선도 달에서 물이나 얼음의 흔적을 발견하지 못했다. 그러나 1996년 우주선 클레멘타인호가 달을 조사하면서 상황이 달라졌다. 달의 남극에서 얼음의 징후가 발견된 것이다. 1998년 루나 프로스펙터호의 조사에 따르면 달에 있는 얼음은 1100만∼3억3000만t으로 추정된다. 이정도의 물은 달까지 가져가려면 무려 60조달러(약 7경원)가 넘게든다. 그러나 아직 달의 물에 대한 직접적인 증거는 없어 반론도 만만치 않다. 물의 존재 여부가 가장 주목을 받는 곳은 화성이다. 지금까지 여러 화성 탐사선들은 큰 강이 흘러간 흔적, 호수 흔적, 샘이 솟아난 흔적, 심지어 최근에 물이 흘러간 것으로 보이는 흔적까지 찾아냈다. 화성의 운석에서는 바다에 녹아 있던 소금도 발견됐다. 많은 우주 생물학자들은 화성의 얼음이나 지하수 속에 지금도 박테리아가 살지 모른다고 생각한다. 미국 제트추진연구소(JPL) 에드워드 스톤 소장은 “화성의 극지에는 그린란드 만한 얼음층이 있으며 과거에 이보다 10배나 많은 물이 존재했을 것”이라고 말했다. 미국항공우주국(NASA)은 2005년부터 화성의 흙을 지구로 가져와 물의 존재를 조사할 탐사선을 잇따라 발사한 뒤 10∼20년 안에 화성에 지하수 구멍을 뚫을 계획이다. 화성과 함께 목성의 위성들도 요즘 물 때문에 각광받고 있다. 목성 탐사선 갈릴레오호의 조사에 따르면 목성의 위성인 유로파는 150㎞ 두께의 얼음으로 덮여 있으며, 얼음층 밑에 물도 존재할 가능성이 높다. NASA는 2008년 유로파에 탐사선을 발사해 물을 찾아 나선다. 또 98년 토성의 위성인 타이탄에서도 수증기의 유력한 증거가 발견됐다. 이 수증기의 실재 여부는 2004년 7월 토성에 다가갈 탐사선 카시니호가 확인할 예정이다. 오리온 성운 등 태양계 바깥에서도 물과 수증기의 증거가 발견됐다. 그렇다면 우주의 물은 처음에 어떻게 만들어졌을까. 물은 수소와 산소로 만들어져 있다. 수소는 빅뱅 때 만들어져 우주에 풍부하게 널려 있다.
산소는 별의 내부에서 핵융합 반응을 통해 만들어진다. 이 별이 폭발하면서 바깥으로 뛰쳐나간 산소가 수소와 만나 물이 됐다. 물과 수증기의 존재는 외계 생명체의 가능성을 높여 주며, 인류가 달이나 화성에 사는 날이 온다면 매우 중요한 자원이 될 것이다.
Where Earth Got Its Water
When Carl Sagan famously called Earth the “pale blue dot,” he was judging a book by its cover. Even though three quarters of our planet’s surface is covered by oceans, our planet is actually very dry. Water makes up about one part in a thousand of Earth’s mass (most of it is simply rock and iron). I say “about” because we don’t know exactly how much water is trapped in Earth’s interior. Estimates range from less than one “ocean”—defined to represent the sum of all of Earth’s surface water (oceans, lakes, glaciers, and so on)—to more than 10. Regardless of the exact water budget, Earth is about 10 times drier than crackers (which typically contain about 2 percent water).
A gripping new story about the origins of water is emerging from analyses of meteorites. The old story was that water-rich asteroids from afar “delivered” all of Earth’s water during our planet’s formation. New results show that, contrary to this narrative, most of Earth’s water was sourced locally, much closer to the sun.
Meteorites are rocky leftovers or remnants from the time when the planets were forming that managed to survive the fall to Earth. They might have broken off as fragments from any rocky body after a powerful impact. Most meteorites are fragments of asteroids, whose orbits were slowly perturbed over millions of years to cross Earth’s path and crash down. Sometimes, chunks of rock from the moon and Mars, launched into space after an impact, could land on Earth, pulled in by its gravity, as lunar or Martian meteorites. Like spilled coffee grounds and cream drops, these chunks are evidence of what went into the cup long after it had been brewed and drunk.
Mars may have had rivers and oceans in its distant past before the water was lost to space.
In graduate school, I found meteorites endlessly confusing. There were so many different classes and types based on their appearance, how much heat and pressure morphed them, and their compositions. But over the past decade, the study of meteorites has become much simpler.
Now, meteorites fall into just two classes: CC and NC—also called “carbonaceous” and “non-carbonaceous.” CCs come from the outer part of the asteroid belt, which runs between Mars and Jupiter, and NCs from the inner part of the belt. When scientists measure the isotopes of different atoms in meteorites, they fall into just two clusters corresponding to these classes. In my mind, this meteorite “dichotomy” is the biggest discovery in planetary science of the past decade.
The most important aspect of the meteorite dichotomy is that no meteorites lie in between the CC and NC clusters. The CC meteorites are fragments of C-type asteroids, which often contain a lot of water. Meanwhile, the NC meteorites are fragments of different types of asteroids, notably S-types, which are drier.
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The existence of two classes of meteorites tells us that there were two different reservoirs of planet-forming material in the sun’s planet-forming disk. NC asteroids (which include S-types) and CC asteroids (which include C-types) are next-door neighbors in the present-day asteroid belt. The weird thing is that, given their isotopic differences, they could not have formed right next to each other, because if they had there would be meteorites in between the two classes. Does that mean that the two classes of meteorites formed at different times, or in different places?
Earth is about 10 times drier than crackers.
We can infer the ages of meteorites using radioactive clocks, and it turns out that the ages of CC and NC meteorites overlap. During the first 3 to 4 million years of the solar system, both CC and NC objects were actively forming. This means that the CC and NC objects formed in different places in the solar system. Exactly what kept the two classes separate is uncertain, but it may have been the growing Jupiter, as it launched density waves in the sun’s gaseous planet-forming disk that blocked the inward flow of large dust grains, the building blocks of asteroids and comets. Regardless of the exact mechanism at play, the research I’ve done with colleagues suggests that the CCs formed past Jupiter and were later implanted into the asteroid belt, whereas the NCs were born closer to the sun.1
What fraction of Earth is made of CC versus NC material? We can measure the same isotopes in Earth rocks that are measured for meteorites. For rock-building elements like chromium and molybdenum, Earth is much closer to NC meteorites than to CC ones. So, the rocky parts of Earth (meaning, most of the planet) is mostly made of NC-like rocky stuff from the inner solar system. Earth was built mostly from NCs with just a splash of CCs. For decades, that splash is thought to have represented the source of all of our planet’s water. But new meteorite measurements suggest that this splash was not the main source.
The building blocks of the planets—mountain-sized “planetesimals,” and also the parent bodies of meteorites—range in composition. The NC planetesimals are thought to have dryly formed close to the sun, whereas the CC planetesimals formed farther out, past the “frost line,” in a cold enough region that they could incorporate water ice. The “frost line” in a planet-forming disk is the distance beyond which it is cold enough for water to condense as ice. Closer to the star, water exists as vapor.
It has long been known that the CC planetesimals provide a decent match to Earth’s water in terms of hydrogen isotopes (specifically, the deuterium to hydrogen ratio, or D/H). So, for the past 20 years it has been thought that a sprinkling of CC-like planetesimals delivered water to Earth while it was forming. This apparent requirement for water delivery from objects from beyond the frost line has had a foundational influence on the construction of models for how the planets were assembled. The change in our thinking about the origin of Earth’s water has the potential to destabilize long-standing formation models. Yet, surprisingly, our best current models not only survive this change in our understanding of the origins of Earth’s water but are actually reinforced.
The key assumption of almost all models to date is that the NC planetesimals that built the Earth were dry. The meteorites that provide the closest match to Earth’s composition is a subclass called Enstatite chondrites. A 2020 Science paper by University of Lorraine cosmochemist Laurette Piani and colleagues showed that Enstatite chondrites contain more water than previously thought—enough to potentially explain all of it, with no sprinkling of water from farther out.2 They also measured the isotopes of another element, nitrogen. They found that neither Enstatite chondrites or CC meteorites can explain both Earth’s water and nitrogen at the same time.
In 2022, two studies in the journal Icarus—one led by exoplanet scientist Paul Savage,3 the other led by geochemist Theodor Steller4—measured meteorite isotopes of still another element, zinc. It’s a moderately volatile element—it can exist as a solid at higher temperatures than hydrogen, carbon, nitrogen, and oxygen, but it vaporizes much more readily than elements like iron. These studies show that matching Earth’s volatiles requires a mixture of Enstatites and CCs. When you measure the isotopes of Earth’s volatile elements, you find that Earth lies in between the NC and CC clusters. About two-thirds of Earth’s water (and its zinc and nitrogen) seem to have come from Enstatite-like planetesimals, and the other third from CC planetesimals.
Since CCs are a lot wetter than NCs, everything fits nicely together if Earth was built from about 95 percent NC material and about 5 percent CC. This is the same ratio that matches Earth’s rocky elements, just like the coffee with a splash of cream—the only difference being that we now realize that most of Earth’s water came from the coffee, not the cream.
A 2023 Icarus study led by Thorsten Kleine, co-director of the Max Planck Institute for Solar System Research, uses the same techniques to figure out the origin of Mars’ water.5 Even though Mars cannot currently support liquid water on its surface, because of its low atmospheric pressure, it may have had rivers and oceans in its distant past before the water was lost to space. Kleine and his colleagues measured zinc isotopes in Martian meteorites and found them to be different from Earth, instead falling right in the NC cluster. This means that almost all of Mars’ water is homegrown, from an NC source like Enstatite chondrites or S-type asteroids.
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Most of the latest models naturally form rocky planets like Earth and Mars that are mostly made up of local (NC or Enstatite) planetesimals, with a splash of CC planetesimals that were kicked into the inner solar system by the growing (and perhaps migrating) giant planets. When two drastically different approaches (meteorite measurements and computer simulations) get the same answer, it’s reassuring. This gives us a sense of convergence on an underlying “truth,” kind of like finally figuring out the recipe for that oh-so-good mocha latte.
Sagan would have been excited about the idea of using meteorites to figure out the origin of Earth’s and Mars’ water. Even though the precious liquid only makes up a tiny fraction of our planet’s mass, its presence on the surface is of cosmic importance—not only because of its essential role in life, but also because its outer blue sheen serves as a sign to extraterrestrial gazers looking Earthward from light-years away: Lots of things are possible on a pale blue dot.
Sean Raymond is an American astrophysicist working at the Bordeaux Astrophysical Laboratory in France. He also writes a blog at the interface of science and fiction (planetplanet.net) and recently published a book of astronomy poems.
References
1. Raymond, S.N. & Izidoro, A. Origin of water in the inner solar system: Planetesimals scattered inward during Jupiter and Saturn’s rapid gas accretion. Icarus 297, 134-148 (2017).
2. Piani, L., et al. Earth’s water may have been inherited from material similar to enstatite chondrite meteorites. Science 369, 1110-1113 (2020).
3. Savage, P.S., Moynier, F., & Boyet, M. Zinc isotope anomalies in primitive meteorites identify the other solar system as an important source of Earth’s volatile inventory. Icarus 386, 115172 (2022).
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4. Steller, T., Burkhardt, C,, Yang, C., & Kleine, T. Nucleosynthetic zinc isotope anomalies reveal a dual origin of terrestrial volatiles. Icarus 386, 115171 (2022).
5. Kleine, T., Steller, T., Burkhardt, C., & Nimmo, F. An inner solar system origin of volatile elements in Mars. Icarus 397, 115519 (2023).