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연세소식

[연구 프론티어] 이용재 교수팀, 초기 지구 대충돌에 의한 ‘환원성 대기’ 생성 가능성 제시

연세대학교 홍보팀 / news@yonsei.ac.kr
2023-12-21

이용재 교수팀, 초기 지구 대충돌에 의한 ‘환원성 대기’ 생성 가능성 제시

‘X-선 자유 전자 레이저’를 이용한 지질 과학의 새로운 실험 기법 제시

과학 전 분야 권위지 ‘Science Advances’ 게재

[사진 1. 이용재 교수]


이과대학 지구시스템과학과 이용재 교수 연구팀은 초기 지구에서 일어난 달 형성 대충돌(Moon-forming Impact)의 과정에서 마그마 바다에 포함된 물과 이산화탄소가 충돌체 핵의 주성분인 철과 반응해, 지구 생명의 기원 가설에서 반드시 선행돼야 하는 유기물의 자연적 합성에 필수적인 환경인 ‘환원성 대기’를 일시적으로 형성할 수 있다는 연구 결과를 발표했다. 이번 연구는 포항가속기연구소(소장 강흥식) 4세대 선형 가속기(PAL-XFEL) 연구팀 및 독일 방사광 가속기(PETRA III) 연구팀과 공동 진행됐다.


약 45억 년 전의 달 형성 대충돌은 전 지구를 일시적으로 마그마 바다의 상태로 만들고, 기존의 대기를 완전히 변화시킨 것으로 추정된다. 한편 현재의 지구 대기는 과거 맨틀 상부에서 배출된 가스 성분의 영향을 받아 시생대 초기인 약 40억 년 전부터 산화된 상태로 존재해 온 것으로 알려져 있다. 따라서 환원성 대기의 존재는 초기 지구 시기인 약 40억 년 이전 시점에서 그 형성 원인을 찾아봐야 한다.


과학계에서는 달 형성 대충돌 이후 지구의 진화 양상에 대한 논의가 계속되고 있으며, 최근 연구에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 지구와 충돌한 미행성체의 철로 이뤄진 핵이 지구에 유입돼 마그마 바다의 물질과 상당량 반응했을 것으로 추측됐다.


이에 이용재 교수 연구팀은 현존하는 가장 강력한 X-선원으로 알려진 ‘X-선 자유 전자 레이저’를 이용해 철에 수 메가줄(MJ)의 에너지를 순간적으로 가하는 새로운 실험 기법을 통해 대충돌에 의한 마그마 바다 환경을 모사하고 관찰했다.


[사진 2. 최진혁 연구원(제1저자)이 X-선 자유 전자 레이저 실험 준비를 하고 있다.]


달 형성 대충돌에 의한 미행성체의 핵과 마그마 바다의 물, 이산화탄소 등 휘발성 물질 간의 반응을 실험적으로 모사하기 위해 소형 고압 발생 장치인 다이아몬드 앤빌셀(Diamond-anvil Cell)을 이용했다. 이를 활용해 철과 물 그리고 철과 이산화탄소의 혼합 시료에 대기압의 약 5만~10만 배에 해당하는 압력을 가한 후, 4세대 선형 가속기에서 생성된 짧은 펄스 형태의 X-선 자유 전자 레이저를 사용해 순간적으로 초고온-초고압 환경을 형성했다.


연속적인 X-선 빔을 통해 반응과 그 과정을 관찰한 결과, 물을 구성하는 수소가 일시적으로 철의 구조 내부로 포획됐다가 온도-압력이 복원되면서 수소 기체(H2) 형태로 방출되고, 산화철(FeO)이 생성됨을 확인했다. 이때 초기 압력이 10GPa 이상인 경우(마그마 바다의 약 300km 깊이), 철 구조 내에 포획된 수소는 온도-압력 복원 이후에도 철수화물(FeHx) 형태로 유지됨을 확인했다. 


철과 이산화탄소 사이의 반응에서도 이산화탄소를 구성하는 산소와 철이 결합해 물과의 반응에서와 마찬가지로 산화철(FeO)이 생성됐고, 일산화탄소(CO) 기체가 방출됐다.


이러한 반응 양상은 대충돌에 의해 방출된 수소(H2)와 일산화탄소(CO)에 의한 환원성 대기를 형성하고, 철은 산화철(FeO)의 형태로 지구 맨틀 성분을 구성하며, 더 깊은 곳에서 안정적으로 만들어진 철수화물(FeHx)은 중심으로 이동해 가벼운 성분이 포함된 핵을 형성했을 것을 시사한다. 


[그림. 초기 지구 마그마 바다에서 일어난 환원성 대기 형성의 상상도(Image from Yonsei University, AI made via canva.com)]


이용재 교수는 “본 연구는 대충돌 환경에서 일어난 철과 휘발성 물질 간의 반응을 실험적으로 처음 관찰한 결과로서, 초기 지구에서 생명체 탄생의 열쇠인 환원성 대기의 형성 과정을 실험실 환경에서 직접 구현한 것”이라고 설명하며, “X-선 자유 전자 레이저를 이용한 대충돌 모사 실험을 시작으로, 향후 동적 극한 환경 연구를 통해 지구와 행성 진화의 통시적 이해가 가능할 것”이라고 본 연구의 의의를 밝혔다.


본 연구는 한국연구재단 리더연구자사업(고압광물물리화학연구단)의 지원으로, 포항가속기연구소의 4세대 선형 가속기(PAL-XFEL)와 독일전자방사광연구소의 방사광 가속기(PETRA III) 연구 시설을 활용해 수행됐다. 연구 결과는 과학 전 분야 세계적 권위지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 12월 15일(현지 시간) 게재됐다. 


논문정보

● 논문제목: Oxidation of iron by giant impact and its implication on the formation of reduced atmosphere in the early Earth

● 논문주소: https://doi.org/10.1126/sciadv.adi6096

 

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