실험실서 운석 충돌 실험하는 과학자들
실험실서 운석 충돌 실험하는 과학자들
  • 함예솔
  • 승인 2019.02.18 06:25
  • 조회수 5070
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공룡을 멸종시킨 소행성 충돌 이미지. 출처: fotolia
지구에 소행성 떨어진다면? 출처: fotolia

과학자들은 운석이 남겨놓은 흔적을 분석하며 당시 지구에 무슨 일이 있었는지 파악하려 애씁니다. 그런데 꼭 현장에 갈 필요가 있을까요? 현장이 아닌, 실험실에서 운석 충돌을 재현하려는 과학자도 있습니다. <Earth and Planetary Science Letters>저널에 게재된 새로운 연구에 따르면, 미국의 스토니브룩대학교 연구진들은 소형 고압 장치인 다이아몬드 앤빌을 이용해 운석이 충돌할 당시 그 곳의 물질들이 어떻게 변형됐는지 알아내려 하고 있습니다.

 

다이아몬드 앤빌 장치. 출처: Wikimedia Commons
다이아몬드 앤빌 장치. 출처: Wikimedia Commons

참고로, 다이아몬드 앤빌 장치는 단단하면서도 빛 투과성이 우수한 다이아몬드를 압력 전달의 모루(anvil)로 사용하는 소형고압장치입니다. 두 개의 다이아몬드 사이에 소량의 실리콘 나노시트 시료를 가두고 압력을 가해주는데요. 두 다이아몬드의 큘렛(culet)사이에 수십 마이크론 크기의 시료를 두고 힘을 가해 대기압의 수십~수백만 배까지의 압력을 만들 수 있습니다.

 

과학자들은 왜 운석이 충돌할 당시 상황을 알아내려고 이렇게 애를 쓰고 있는 걸까요? 과거 지구에 충돌한 운석에 대해 알게 될수록, 지구와 태양계의 다른 천체가 어떻게 형성되고 진화했는지 더 잘 이해할 수 있기 때문입니다. 과학자들은 특정한 충돌 지점을 분석하면서 '운석 충돌로 인해 온도나 압력이 얼마만큼 높아질 수 있을까?' 같은 세부적인 사안을 알아갑니다.

 

장석그룹. 출처: Wikimedia Commons
장석 그룹. 출처: Wikimedia Commons

과거, 과학자들은 충돌 크레이터에서 흔히 발견되는 세 가지 종류의 광물 변화에 따라 충돌을 구분했는데요. 장석 그룹(feldspar group)에 속하는 광물 중 조장석(albite), 아노사이트(anorthite), 사장석(plagioclase)으로 구분했습니다. 이 광물들은 충돌 시 결정 구조 일부를 잃어버리게 되는데요. 이번 연구에서 X-선 회절법을 이용해 운석 충돌과 같이, 광물이 갑작스럽게 압축될 때 광물의 원자 구조가 어떻게 달라지는지 추적했습니다. 참고로 X-선 회절법은 결정으로 이뤄진 물질에 X-선을 조사해 산란된 X-선을 분석하고 결정의 구조를 알아내는 실험 방법입니다.

 

X-선 회절법. 출처: Wikimedia Commons
X-선 회절법. 출처: Wikimedia Commons

이번 연구의 주요 저자이자 스토니브룩대학교의 지구물리학자인 Melissa Sims은 "실험실에서 우리는 샘플을 빠르게 압축시키기 위해 가스 또는 액츄에이터로 제어되는 다이아몬드 앤빌 장치를 사용했고, 그러는 동안 X-선 회절 패턴을 수집했다"고 밝혔습니다. 이어 "이를 통해 우리는 완전한 압축 및 감압주기 동안 원자 구조가 어떻게 바뀌는지 관찰할 수 있었다"고 전했습니다. 

 

갑작스런 압축을 가해주는 실험을 하기 전 찍은 전자현미경으로 관찰한 조장석(albite)의 미세구조 이미지. 출처: Stony Brook University, Lars Ehm
갑작스런 압축을 가해주기 전 전자현미경으로 관찰한 조장석(albite)의 미세구조 이미지. 출처: Stony Brook University, Lars Ehm

연구진은 약 80기가파스칼로 광물에 압력을 가했는데요. 이는 해수면 기준으로 지구 대기압에 약 80,000배에 상응하는 압력이었습니다. 그러고나서 광물이 어떻게 반응하는지 살피기 위해 압축률을 변화시켰습니다. 연구진은 광물이 결정 구조를 잃는데 가장 큰 영향을 미치는 것은 바로 '압축률'이란 사실을 발견했는데요. 천천히 압축될 때에 비해 빠르게 압축될 경우 광물이 저압에서도 결정 구조를 완전히 잃어버렸습니다.

 

초당 0.1GPa의 비율로 44기가파스칼(GPa)까지 압축한 후 회복된조장석(albite)의 미세구조. 출처: Stony Brook University, Lars Ehm
초당 0.1GPa으로 44GPa까지 압축한 후 회복된 조장석(albite)의 미세 구조. 출처: Stony Brook University, Lars Ehm

이는 충돌 크레이터에서 발견되는 광물에서 얼마 만큼 결정 구조를 잃어버렸는가 측정하는 것만으로는 충돌 당시 가장 높았던 압력과 온도를 추정해내는 데 충분하지 않다는 것을 의미한다고 합니다. 그런데 현장에서 연구진들은 충돌 당시의 조건 하에서 광물이 얼마나 변했는지에 대해 더 많은 조사를 수행하고 있습니다. 그렇기 때문에 이번 연구의 저자는 연구진들이 운석이 충돌한 크레이터에 대해 더욱 많은 정보를 얻을 수 있어야 한다고 제언합니다. 

 

초당 35GPa으로 46기가파스칼(GPa)로 압축한 후 알파이트의 미세구조
초당 35GPa으로 46GPa로 압축한 후 조장석(albite)의 미세 구조. 출처: Stony Brook University, Lars Ehm

이번 연구 결과는 운석 충돌 당시의 특정 온도와 압력을 정확하게 파악하는 데 도움이 되지는 않지만, 이 기술을 잘 활용한다면 운석 충돌이 광물에 어떻게 작용하는가에 대해선 더 많이 알게 될 것이라고 합니다. 과거, 지구에 어떤 일이 있었나 밝히려는 지질학자들의 노력은 오늘도 계속되고 있습니다.  

 


 

##참고자료##


Sims, Melissa, et al. "Pressure-induced amorphization in plagioclase feldspars: A time-resolved powder diffraction study during rapid compression." Earth and Planetary Science Letters 507 (2019): 166-174.

 



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