달 표면은 물투성이이다.

달 표면은 물투성이이다.

 

 

NASA는 <달 표면은 물투성이이다.>라는 빅뉴스를 전하고 있다.

달 표면에는 물 분자가 이르는 곳마다 흩어져 있어서 태양광이 비치는 곳이나 전혀 받지 않은 영구 음영에도 존재하고 있음을 알게 된 것 같다. <달에는 물이 있다.>고 하는 것은 오랜 동안 말해왔으나 이번의 연구로 처음으로 물 분자의 존재를 확인한 듯하다. 이하에서 자세히 알아본다.

 

발견의 의의

학술지 『Nature Astronomy』에 2020년 10월 26일부로 발표된 2건의 연구논문은 달에 <물>이라는 생명에 빠질 수 없는 귀중한 천연자원이 풍부하게 저장되어 있음을 밝히고 있다. 이전부터 달 표면 특히 달의 극 부근에는 물이 얼음 상태로 존재하고 있다고 말해왔는데 직접적인 증거는 얻지 못하고 있었다. 그런데 이제 와서 마침내 물 분자의 존재가 적외선 카메라에 의하여 밝혀졌다. 그리고 햇빛이 잘 받는 곳에도 존재하고 있다는 것은 과학적인 시점에서 보아 매우 의의가 있는 발견임과 동시에 금후 달에서의 유인비행 임무를 진행해가고 싶어 하는 미국으로서는 커다란 전환점이 될 것 같다. NASA가 계획하고 있는 아르테미스계획에는 달의 남극 가까이에서 수빙(水氷)을 채취하는 것이 임무의 하나였는데 이번 연구는 이 임무가 충분히 수행가능하다는 것을 시사하고 있다. 그리고 달에 물이 풍부히 있다면 장래 달을 탐험하거나 개간하고 싶은 사람들이 지구에서 물을 가지고 가지 않아도 달에서 조달할 수 있을는지 모른다. 금후의 우주개발에 크게 영향을 줄 것이다.

 

역시 물은 존재했다.

달에는 물이 있다고 전부터 말했었다. 망원경을 사용한 조사에서는 달의 남극에 밝은 얼룩이 보이는 데서 물이 있는 것이 아닌지 추측했다. 그리고 그 추측을 뒷받침하듯이 인도의 찬드라양1호에 탑재한 NASA의 레이더에서는 무수의 소규모 크레이터 안에 수빙이 담겨있는 모습이 관측되었다.

다시 2016년에는 달의 자전축의 기울기가 달 표면에 남은 수빙에 의하여 초래하는 것이 아닌가 하는 가설도 더해져서 다방면으로 물의 존재가 보인 것이다. 그러나 이처럼 달 표면의 물에 관하여 다양한 연구가 행해졌음에도 불구하고 물 분자의 존재 그 자체는 확인하지 못한 채 있었다. 지금까지의 적외분광법(赤外分光法)을 써서 달 표면을 조사한 결과에는 3미크론의 파장이 검출되었을 뿐이다. 아쉽게도 이 파장으로는 달 표면에 있는 것이 물 분자인지 아니면 화학적으로 비슷한 하이도록시기(hydroxy group)인지 분간이 안 되었다.

이 문제를 해결하고자 이번 새로 도입한 것이 <하늘 나는 천문대>의 다른 이름을 가진 SOFIA（The Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy、成層圏赤外線天文台）이다.

보잉747을 개조한 SOFIA에는 적외선관측용의 반사망원경과 적외선카메라가 설치되어 있어서 고도 4만 1000 피드의 성층권을 비행하면서 적외선분광분석을 행할 수가 있다. 그리고 이 SOFIA에서 달 표면을 분석한 결과 마침내 물 분자 특유의 파장인 6.1미크론을 관측하는 데에 성공한 것이다. 미국 텍사스주 탈라스에 있는 혹성과학연구기관（Planetary Science Institute）의 Matthew Siegler 씨는 이번 관측은 <본격적으로> 물 분자를 검출한 처음 케이스라고 메일을 경유하여 미국 Gizmodo에 설명해주었다. 하이도록시기(hydroxy group)는 비교적 간단히 된다. 태양풍을 타서 날아온 양자가 달 표면의 산소원자와 부딪치는 것만으로 만들어지므로 달의 돌에도 하이도록시기가 함유된다.

=====*하이도록시기 (hydroxy group)

하이도록시기 또는 히드록시기는 유기화학에 있어 구조식이 −OH 으로 표시되는 일가의 작용기이다. 하이도록실기라고도 불린다. 알켄과 알킨 등 벤젠 고리 이외의 탄소 위에 수소를 하이도록시기로 치환한 화합물을 알코올, 벤젠고리 의 수소를 히드록시기로 치환한 화합물을 페놀이라고 부른다. 위키백과=========

한편 물은 간단히 생성되지 않으므로 물과 하이도록시기는 각각 다른 과정을 거쳐서 생성되는 결과 달 표면에 존재하고 있는 것일 것이다. 원시의 달의 활발한 화산활동에서 된 것인지 모르고 소혹성이나 혜성이 충돌했을 때 들어온 것인지도 모른다. 이번 물 분자는 달의 남반구에 있는 클라비우스 크레이터(Clavius crater)안에서 확인되었다. 어느 정도의 양이 확인되었는가 하면 NASA에 따르면 1입방미터 당 350 밀리리터(작은 페트병 1개)이다. 사하라 사막의 토양에 함유하는 수분량의 100분의 1에 상당한다고 하므로 대량 존재한다고는 말할 수 없다.

그리고 물이 고이거나 얼음이 덩어리로 되어 있는 것도 아닌 듯하다. NPR에 따르면 물 분자와 분자의 거리가 너무 떨어져 있기 때문에 고체도 액체도 형성되지 않고 뿔뿔이 존재하고 있는 상태인 듯하다. NASA로서는 금후 다시 SOFIA를 써서 클라비우스 크레이터 이외의 장소에서도 관측을 계속하여 언젠가는 달 전체를 커버하는 물 분포지도를 작성하려고 하는 듯하다.

======*NPR은 다음을 가리킨다. 내셔널 퍼블릭 라디오(National Public Radio); 핵 태세 검토 보고서(Nuclear Posture Review)

 

밝은 표면에서

이번 연구에서 제일 놀란 것은 물 분자가 태양광이 내려 쏟아지는 밝은 달 표면에서 확인된 것이다. 이전부터 <콜드트랩>이라고 불린 영구 음영에 물이 존재하고 있는 것은 알고 있었던 듯하나 참으로 일광이 비추어도 물이 증발하지 않는다는 것은!? 어째서일지 본격적인 진상 규명은 이제부터이다. 단지 『Nature Astronomy』에 게재된 논문 하나에 따르면 달 표면에서 발견된 물 분자는 아무튼 가는 광물(유리)에 내포되었는지 먼지 입자 사이에 끼어있는 상태로 존재하고 있는 듯하여 그러기 때문에 태양광에 비치어도 증발하지 않았다고 추측하고 있다.

<자유로 운동하고 있는 물 분자가 달 표면에 오랜 동안 존재하기 위해서는 마이너스 110게르빈(마이너스 163도C)까지 냉각할 필요가 있고 이것은 콜드트랩 안이 아니면 실현할 수 없는 환경이다. 그런데 이번 발견된 물 분자는 유리 같은 광물에 내포되어 있기 때문에 얼린 달의 극 이외의 지역에서도 존재할 수 있는 것이 아닌가 생각된다.>고 Siegler 씨는 설명하고 있다.

=====*콜드 트랩(Cold trap )

영어에서 번역됨-진공 응용 분야에서 콜드 트랩은 영구가스를 제외한 모든 증기를 액체 또는 고체로 응축시키는 장치이다. 가장 일반적인 목적은 실험에서 증기가 배출되어 응축되어 오염되는 진공 펌프로 들어가는 것을 방지하는 것입니다. 위키백과

 

달 표면의 작은 냉동고

광물 속에 가두어진 물 분자에 더해서 언 물이 달 표면의 작은 구렁에 담겨져 있을 가능성도 현실미를 띠게 되었다. 『Nature Astrology』에 게재된 2건의 논문은 영구 음영이 지금까지 알려진 것보다도 더 많이 존재하고 있다고 지적하고 있다. 영구 음영은 그 이름 그대로 완전히 태양광에서 차단된 때문에 온도가 낮게 지탱되어 수빙의 장기보존이 가능하다고 생각되고 있다. 저자의 한 사람인 Paul Hayne 씨는 말하기를 <달 극에 가까이 서 있다고 생각하면 달 표면은 바라볼수록 어두운 작은 그림자 투성이로 이들 그림자의 다수는 수빙으로 가득 채워졌다.> 그렇게 비유한다면 달의 남극 부근에 위치하는 섀클턴 크레이터(Shackleton crater)는 직경이 21Km, 깊이가 2Km이다. 크레이터의 내부에는 결코 태양광이 들어가지 않는 영구 음영이 된 부분이 있고 온도는 마이너스 184도C 전후로 지탱되고 있다. Hayne 씨가 이끄는 연구자 팀은 NASA의 월주회무인위성, 루나 리코네산스 오비타（Lunar Reconnaissance Orbiter, LRO/달정찰인공위성)를 써서 크레이터의 크기에서 1원 짜리 동전 크기까지 모든 영구 음영을 조사한 결과 몇 억년 사이 완전히 가두어진 것까지 발견된 모양이다.

달의 극 부근에는 작은 영구 음영이 특히 많이 존재하고 있다고 하는데 면적을 총합하면 4만 평방킬로미터나 된다고 한다. 영구 음영 중 6할은 남극 부근에 위치하고 있음도 알았다 한다. 이 연구 이전에 산출되었던 총면적은 1만 8100평방킬로미터였다는 데서도 영구 음영이 달 표면을 차지하는 비율은 생각보다도 훨씬 넓고 그 중에 보존되었을 수빙의 양도 더 많은 것이 아닐까 그리고 금후 달로의 유인 임무에서 물이 보다 가까이 존재하게 되는 것이 아닐까..하고 기대가 부풀어 오른다. 물론 이번 연구는 영구 음영의 존재를 확인한 것뿐으로 영구 음영 모두가 물을 보유하고 있다는 것은 아니다. 그 중에 수빙이 들어있는 것까지는 확인되지 않았으므로 물이 존재할 수 있는 환경이 생각한 것보다 풍부하다고 말하는 뉘앙스인 것이 적절하다.

 

달의 물은 어디서 왔을까

생각되는 것은 영구 음영에 보존된 물은(그럴는지 모르는) 어디서 오는가. Siegler 씨는 혜성이나 소혹성의 충돌, 월면의 화산활동, 또는 태양풍에 의하여 일어나는 화학반응 등을 들고 있는 한편 이번 새로 발견된 광물 내에 가두어진 물 분자가 방출되었을 가능성도 지적하고 있다. 그런 의미로서는 <이들 광물은 모두 달 전체규모의 저수지를 형성하고 있다고도 말할 수 있을 것 같다.>고 Siegler 씨는 말하고 있다. 단지 지금은 어떻게 하면 <저수지>에서 우주비행사들이 쓸 수 있는 물을 빼어낼 수 있을는지는 모른다. 금후 연구가 진행되어서 아무튼 음료수나 로켓의 연료로서 수소를 빼어낼 수 있다면 달에서 유인 임무의 방법이 극적으로 변할 듯하다.

 

금후의 과제

NASA가 열린 기자회견에서는 NASA본부 내의 유인비행임무국에 속하는 Jacob Bleacher 씨가 금후의 과제로서 월면의 물 분자가 어느 정도 안정되어 있는지 또 어느 정도의 양이 우주로 증발하고 마는지를 조사할 필요성을 들고 있다. NASA본부 내의 우주과학국 디렉터 Paul Hertz 씨는 <이번 발견한 물 분자가 어떻게 형성되었는지 그리고 어째서 월면 상에서 존속되는지가 과제로 제시되었다.>고도 말하고 있다. 다시 장래에 NASA의 우주비행사가 월면에 내릴 때에 이 물을 활용할 수 있는지 어떤지도 조사할 필요가 있다고 말하고 있다.

 

아르테미스계획에 기대할 수밖에 없다.

또 Siegler 씨는 <만일 월면이 참으로 물투성이라면 예를 들어서 노천을 파는 것 같은 방법으로 달의 표면에서 물을 채취할 수 있을는지 모른다. 물론 노천에서 파낼 수 있는 것을 미루어 장려하는 것은 아니지만>하고 말하고 있다.

단지 마티니(Martini)를 마시는 데도, 수분을 보급하는 데도, 액체수소나 액체산소 로켓의 연료보급에도 달에서의 생활에서 물은 불가결이다. 물을 지구의 중력권에서 취하여 달까지 가지고 가는 데는 막대한 대가가 걸리므로 혹시 물을 월면에서 조달할 수 있게 되면 우주임무의 대가도 그 만큼 하락하고 연료보급도 쉽게 된다. NASA의 아르테미스계획(Artemis program)이 이대로 순조롭게 진행되면 이르면 2024년에도 여성우주비행사와 남성우주비행사가 달에 내리게 된다. 그들은 과연 달에서 물을 찾을 수 있을까.

Reference: NPR, NASA, Nature Astronomy (1, 2)

번역=야마타지도라

출처=www.gizmodo.jp › 2020/10 › nasas-big-moon-news-th...