지구의 중앙 해령에서는 헬륨 3라고 하는, 매우 희귀한 헬륨의 동위원체가 흘러나오고 있는데, 대부분의 헬륨 3의 기원은 빅뱅 직후에 있고, 이 가스도 원시 태양계 성운(태양계를 만들어 낸 티끌과 가스의 덩어리)으로 부터 지구 형성시에 받아들여졌다고 생각되고 있다.
이 때문에 지구 심부에는 원시 헬륨의 저류층이 있는 것 같지만, 그것이 어디에 있고, 어느 정도의 양이 존재하는지는 불명확했다.
미국 뉴멕시코대(University of New Mexico)의 지구물리학자 피터 올슨(Peter L. Olson)씨는 최신 연구에서, 빅뱅에서 유래한 헬륨 3가 지구의 코어에서 새어나오고 있다고 보고.
이는 지구가 언제쯤 태양계의 어디쯤에서 형성되었는가 하는 문제에 대해서도 통찰을 준다호 한다.
■ 빅뱅으로 생성된 헬륨 가스
일반 헬륨(4He)는, 양성자 2개와 중성자 2개로 구성되어 있는데, 여기서 중성자 1개를 제거한 동위원소를 헬륨 3라고 부른다.
헬륨 3의 성질에 대해서는, 이번 이야기에서는 특별히 의식할 필요는 없지만, 중요한 것은 이것이 지구상에서는 매우 드문 동위원체라는 것. 헬륨 3는 자연 중에서는 트리튬의 방사성 붕괴로부터 생성될 가능성이 있지만, 이는 극히 일부이며, 우주에 존재하는 대부분의 헬륨 3의 기원은 빅뱅까지 거슬러 올라간다.
즉, 우주에서 최초로 생성된 원소 중 하나이며, 기본적으로는 지구상에서 보충되지 않는 원소인데, 이 헬륨 3는 지구 표면에서 비록 소량이지만 측정되고 있으며, 연간 약 2000g이 지구 내부에서 흘러나오고 있다는 것이다.
보충되지 않은 헬륨 3가 지구 내부로부터 수십억 년에 걸쳐 계속 누출되고 있다는 사실은, 이것이 지구 형성시에 받아들여져 지구 심부에 저장되어 있다는 것을 의미하고 있다.
"이것은 지구의 역사를 아는 데 있어 유력한 단서이며, 현재도 계속 누출되는 양으로 볼때 아직도 상당량이 지구 내부에 존재하고 있다고 생각됩니다"라고 연구의 최대 저자인 올슨 씨는 말한다.
현재 헬륨 3가 지구 내부의 어디에 저장되어 있고, 어느 정도의 양이 존재하는지는 밝혀지지 않았다. 헬륨 3이 지구 어디에 얼마나 저장되어 있는지를 알아내는 연구에는, 지구의 형성에서 지금에 이르기까지의 역사 자료로서 가치가 있다.
그럼 헬륨 3는 지구의 어디에 있는 걸까? 그것은 어느 정도의 양일까?
올슨 씨는 그 저장 장소가 지구의 코어라고 이번 연구에서 보고했는데, 그 근거는 뭘까?
■ 지구의 코어에 저장된 우주의 원시 가스
빅뱅으로 생성된 헬륨 3는 주로 성운의 주성분으로 존재하는데, 성운은 성계가 탄생하기 위한 재료가 되는 티끌이나 가스의 모임이다.
지구는 원시 태양계 성운으로부터 형성되어 있기 때문에, 여기서 헬륨 3을 축적했다고 볼 수 있다. 그러나, 그 때 수중에 들어온 헬륨 3가 모두 현대까지 지구 내부에 모아져 있던 것은 아니다.
연구자들에 따르면, 지구에서는 역사상 헬륨 3을 크게 손실하는 이벤트가 존재했다고 하는데, 그것이 원시 행성 테이아의 충돌이다.
테이아는 달의 형성이론의 주요한 가설 중 하나인 "자이언트 임팩트설"로 원시 지구에 충돌했다고 여겨지는 화성 크기의 원시 행성이다.
이것은 지구 형성 약 5000만 년 후에 일어난 것으로 생각되며, 이 때 지구의 물질의 대부분이 날아가 지구 주위에 흩날렸다. 이것이 최종적으로 달을 형성하고, 일부는 다시 지구로 낙하했는데, 이 영향은 오래 계속되었고, 지구 표면은 장기간 용해한 상태가 된 후, 태양풍이 거기로부터 휘발한 물질을 날려 버렸다고 생각할 수 있다.
연구자들에 따르면, 이들 과정으로 인해 대부분의 지구의 헬륨 3는 우주로 달아나게 된 것으로 예상된다.
테이아의 영향에 대해서는, 2021년의 연구에서 지구 형성 시에 성운에서 맨틀로 흡수된 휘발성 물질 거의 전부가 벗겨졌음이 밝혀졌다.
그 때문에, 테이아에 의한 자이언트 임팩트는 지구 대기에서 맨틀까지 포함되어 있던 헬륨 3를 거의 제거했다고 생각할 수 있다.
하지만, 지구 코어는 이 영향을 받지 않았고, 테이아의 충돌은 지구 표면을 녹여 그곳에 존재했던 헬륨 3의 대부분을 손실시켰을 것으로 생각되지만, 코어는 이 충격으로부터 격리되어 있다.
또한, 코어는 구조판 활동 사이클의 일부가 아니다.
즉 코어는 대부분이 액체 상태이기 때문에, 많은 헬륨을 보유할 수 있었을 것. 지구에 존재하는 헬륨 3의 대부분은 코어에 퇴적돼 있을 것으로 보인다.
코어에서 떨어진 헬륨 3는 맨틀의 일반적인 대류순환에 의해 지구표면으로 운반되고, 그리고 해령 현무암이 형성되면서 바다로 방출되는 셈이다.
맨틀의 수십억 년에 걸친 활동은, 불확정 요소가 많고, 이를 엄밀하게 모델화하고 계산하는 것은 단일 연구의 범위를 넘어서고 있다.
그러나, 이번 연구자는, 형성시에 지구에 얼마만큼의 헬륨 3이 강착했는지, 또 그것이 탈가스 작용에 의해서 얼마나 없어졌는가 하는 부분에 집중하고, 모델화를 실시, 현재의 지구에 저장되어 있는 헬륨 3의 양을 추정했다.
이를 통해, 지구 코어에 현재 10테라그램에서 페타그램의 헬륨 3가 있는 것으로 추정되는데, 이런 양의 헬륨 3가 흡수되었다는 사실은, 지구가 원시 태양성운의 존재 하에 성운의 깊은 내부에서 형성되었다는 사실을 보여준다.
지구가 거의 성운이 사라진 시기에 형성되었거나, 지구가 태양으로부터 떨어진 바깥 테두리에 형성되어, 그것이 이동해 왔을 가능성은 여기서부터 부정된다.
이번 결과에는, 아직 불확실한 문제가 많이 남아 향후 변경될 가능성은 얼마든지 있지만, 그래도 지구의 역사를 생각하는 중요한 단서임은 분명할 것이다.
빅뱅의 잔류물이 지금의 지구에 있으며, 그 경위를 보고 지구의 형성을 생각한다는 것은 실로 웅장한 연구라 할 수 있겠다.