캐나다 온타리오주 런던에 있는 웨스턴대학교(Western University) 박사후 연구원의 새로운 연구에 따르면 달의 표면을 구성하는 초기 달 표면은 이전에 알고 있던 것과는 달리 40억년 전에 물이 상당히 풍부했다는 사실이 밝혀졌다. 

이 발견은 영향력 있는 천문학 및 천체물리학 분야의 온라인 국제천문학술지인 『네이처 천문학(Nature Astronomy)』 1월 15일자에 ‘휘발성이 풍부한 초기 달 지각을 나타내는 페로안 아노소사이트에서 인회석 검출(Detection of apatite in ferroan anorthosite indicative of a volatile-rich early lunar crust)’라는 제목으로 발표되었다.

타라 헤이든(Tara Hayden)은 영국 개방대학교(The Open University) 대학원생 시절 달에서 온 것으로 분류한 운석을 가지고 연구한 초기 달 표면 샘플에서 광물인 인회석(가장 흔한 인산염)를 처음으로 식별했다.

이 연구는 달의 초기 표면에 원래 생각했던 것보다 더 많은 물이 포함되어 있다는 흥미롭고 새로운 증거를 제시하여 달 역사 연구에 새로운 문을 열었다.

현재 유명한 행성 지질학자인 고든 ‘오즈’ 오신스키(Gordon ‘Oz’ Osinski)와 함께 우주화학자로 일하고 있는 타라 헤이든(Tara Hayden)은 “달의 초기 표면에서 인회석이 처음으로 발견된 것은 믿을 수 없을 정도로 흥미롭다”라면서 “우리가 마침내 달 역사의 알려지지 않은 단계를 하나로 엮기 시작할 수 있기 때문이다”라고 말했다. 

그녀는 이어 “우리는 달의 초기 표면이 우리가 예상했던 것보다 물이 더 풍부하다는 것을 발견했으며, 달의 휘발성 안정 동위원소는 우리가 이전에 알고 있던 것보다 훨씬 더 복잡한 역사를 드러낸다”고 덧붙였다.

타라 헤이든은 특히 “달 운석은 달 진화의 새롭고 흥미로운 부분을 드러내고, 달 착륙 우주선 아폴로(Apollo) 임무 중에 수집된 샘플을 넘어 우리의 지식을 확장하고 있다. 달 탐사의 새로운 단계가 시작되면서 달 뒷면에서 무엇을 배울 수 있을지 기대된다”고 강조했다.

아폴로 샘플은 달에서 돌아올 때 처음으로 ‘휘발성이 낮은(volatile-poor)’ 것으로 가정되었으며, 이는 달이 ‘뼈가 건조한(bone dry)’ 것으로 널리 알려진 설명으로 이어졌다.

2008년에  알베르토 살(Alberto Saal)과 다른 연구원들은 아폴로(Apollo) 샘플 컬렉션의 유리 구슬에 상당한 양의 물과 기타 휘발성 물질이 존재한다는 것을 발견했다. 이것은 아폴로 샘플에 대한 15년 간의 재분석을 시작했으며 새로 발견된 달 운석을 통해 달 표면에 훨씬 더 많은 물이 있음이 밝혀졌다.

헤이든은 “우리는 아폴로 표본을 통해 달에 있는 물의 역사에 대해 가장 많이 알고 있지만 그 표본은 전체 달 표면의 약 5%만을 나타내는 것으로 생각된다”라면서 “다가오는 아르테미스(Artemis) 임무에서 더 많은 샘플을 얻을 때까지 우리가 가지고 있는 표면의 다른 샘플은 운석뿐이다”라고 설명했다.

헤이든은 박사 학위 과정 동안 개방대학교(The Open University)에서 수집가용 암석 샘플을 달 운석으로 확인하면서 이 사실을 발견했다. 샘플은 식별 외에도 달의 물에 대한 핵심 데이터를 담고 있는 것으로 입증되었다.

헤이든은 “운이 좋게도 그 운석이 달에서 왔을 뿐만 아니라 달에 물을 담고 있는 광물에 대한 우리의 이해에 매우 중요한 화학적 특징을 가지고 있었다”고 말했다.

이 연구는 주로 광물 구조에 휘발성 요소를 포함하고 있는 광물인 인회석(apatite)에 초점을 맞췄다. 인회석은 달의 초기 표면을 대표하는 유리구슬과 페로안 거석암(ferroan anorthosites)을 제외한 모든 달 암석 유형에서 발견되었다.

페로안 거석암 그룹은 엄청나게 오래된 것으로 알려져 있으며(45억∼43억년) 달이 거의 완전히 녹았을 때 달 마그마 바다에서 직접 형성된 것으로 알려진 유일한 암석 유형이다. 이 암석 유형에서 인회석의 발견으로 처음으로 달 진화의 알려지지 않은 단계를 직접 조사할 수 있게 되었다.

“약 45억년 전에 가장 먼저 형성된 달 지각에서 물의 역사를 밝히는 것은 태양계 물의 기원에 대한 이해를 높이는 데 중요하다. 달 운석 형태의 달의 고대 암석 샘플은 그러한 조사를 수행할 수 있는 훌륭한 기회를 제공한.”라고 영국 개방대학교의 행성 과학 및 탐사 교수이자 타라 헤이든(Tara Hayden)의 공식 수석 감독관인  마헤쉬 아난드(Mahesh Anand)는 말했다.

미래의 아르테미스(Artemis) 임무

헤이든은 “미국 항공우주국(NASA)의 아르테미스(Artemis) 임무가 발사를 준비하고 있고 현재 감독자를 포함한 연구원들이 우주 비행사를 위한 프로그램과 목표를 개발하고 있기 때문에 발견 시기가 완벽하다”고 말했다.

그녀는 이어 “달 표면은 수천 년, 심지어 수백만 년 동안 건조되었다고 오랫동안 믿어왔다. 그러나 아마도 달 표면에는 우리가 생각했던 것보다 더 많은 물이 있을 수 있으며 이를 추출할 방법을 찾으면 된다”고 덧붙였다.

오신스키(Osinski)는 이 새로운 발견의 잠재적인 기회에 대해서도 마찬가지로 기대하고 있다.

2022년에 오신스키는 50년 만에 처음으로 유인 달 착륙 임무를 위한 표면 과학 계획을 개발하고 있는 NASA 지질학 팀에 선정되었다. 그는 휴스턴에 있는 NASA의 존슨 우주센터(Johnson Space Center)에 있는 임무 통제실의 과학 밀실에서 동료들과 함께 ‘아르테미스 III(Artemis II)’ 임무 전반에 걸쳐 지원을 제공할 계획이다.

오신스키는 “타라 헤이든의 발견은 매우 흥미롭고 우리가 달에서 가장 초기의 지각의 일부를 확인하고 샘플링하기를 희망하는 ‘아르테미스 III’ 임무를 위한 우리의 샘플링 전략에 도움이 될 것”이라고 말했다.

오신스키는 또한 캐나다 항공우주국(Canadensys Aerospace)가 설계하고 건설중인 캐나다 최초의 달 탐사선에 대한 수석 조사관이자 과학 책임자이기도하다.

[원문보기]

Discovery changes understanding of water’s history on the Moon

Western cosmochemist finds early lunar crust had more water than previously estimated

New research from a Western University postdoctoral fellow shows the early lunar crust, which makes up the surface of the Moon, was considerably enriched in water more than 4 billion years ago, counter to previously held understanding. The discovery is outlined in a study published today in the high impact journal Nature Astronomy.

Working with a meteorite she classified as one that came from the Moon while a graduate student at The Open University (U.K.), Tara Hayden identified, for the first time, the mineral apatite (the most common phosphate) in a sample of early lunar crust.

The research offers exciting new evidence that the Moon’s early crust contained more water than was originally thought, opening new doors into the study of lunar history.

“The discovery of apatite in the Moon’s early crust for the first time is incredibly exciting - as we can finally start to piece together this unknown stage of lunar history. We find the Moon’s early crust was richer in water than we expected, and its volatile stable isotopes reveal an even more complex history than we knew before,” said Hayden, currently working as a cosmochemist with renowned planetary geologist Gordon “Oz” Osinski in Western’s department of Earth sciences.

“Lunar meteorites are revealing new, exciting parts of the Moon’s evolution and expanding our knowledge beyond the samples collected during the Apollo missions. As the new stage of lunar exploration begins, I am eager to see what we will learn from the lunar far side,” said Hayden.

The Apollo samples were first assumed to be ‘volatile-poor’ upon their return from the Moon, leading to the wide-known description of the Moon as ‘bone dry.’

In 2008, Alberto Saal and other researchers discovered the presence of significant amounts of water and other volatiles in glass beads from the Apollo sample collection. This set forth fifteen years of re-analysis of the Apollo samples while newly found lunar meteorites have revealed the Moon had much more water across its surface.

“We know most about the history of water on the Moon from the Apollo samples, but those samples are thought to only represent about five per cent of the entire Moon surface,” said Hayden. “Until we get more samples back in the upcoming Artemis missions, the only other samples from the surface we have are meteorites.”

Hayden made the discovery at The Open University during her PhD studies while verifying a rock sample for a collector as a lunar meteorite. Beyond its identification, the sample proved to be holding a key piece of data about water on the Moon.

“I was so lucky the meteorite not only came from the Moon but remarkably, featured chemistry so vital to our understanding about lunar water-bearing minerals,” said Hayden.

This work was focused primarily on the mineral apatite, which contains volatile elements in its mineral structure. Apatite was found in all lunar rock types except glass beads and ferroan anorthosites, the latter representing the Moon’s early crust. 

The Ferroan Anorthosite group is known to be incredibly old (4.5-4.3 billion years old) and is the only rock type known to have formed directly from the Lunar Magma Ocean - when the Moon was almost entirely molten.

The discovery of apatite in this rock type has allowed for the direct examination of this unknown stage in lunar evolution for the first time.

“Unravelling the history of water in the earliest-formed lunar crust approximately 4.5 billion years ago is important for improving our understanding of the origin of water in the Solar System. 

Ancient rock samples from the Moon in the form of lunar meteorites provide an excellent opportunity for undertaking such investigations,” said Mahesh Anand, professor of planetary science and exploration at The Open University and Hayden’s formal lead supervisor.

Future Artemis missions

Hayden says the timing of the discovery is perfect as the NASA Artemis missions are preparing for launch and researchers, including her current supervisor, are developing programing and targets for the astronauts.

“It has been long believed the lunar surface has been dried out for thousands and even millions of years, but maybe there might be more water available than we thought on the surface of the Moon and we just need to find a way to extract it,” said Hayden.

Osinski is equally excited for the potential opportunities of this new discovery.

Last year, Osinski was selected for the NASA geology team that is developing the surface science plan for the first crewed lunar landing mission in more than 50 years. He will join his colleagues in mission control’s science backroom at NASA’s Johnson Space Center in Houston providing support throughout the Artemis III mission.

“Tara’s discoveries are super exciting and will feed into our sampling strategy for the Artemis III mission where we hope to identify and sample some of the earliest crust on the Moon,” said Osinski.

Osinski also serves as principal investigator and scientific lead on Canada’s first lunar rover, which is being designed and built by Canadensys Aerospace.

[출처=웨스턴대학교(Western University)(https://news.westernu.ca/2024/01/early-lunar-crust-water-enriched/?fbclid=IwAR1IAV95-uXnNJp20TJudppEioWoVXAkHVOkMHdPUvRKQUPcLloX2sM2Gc8) / 2024년 1월 15일]

[논문출처=『네이처 천문학(Nature Astronomy)』(https://www.nature.com/articles/s41550-023-02185-5) / 2024년 1월 15일]

[번역 = 배철민 편집국장 겸 글로벌물산업정보센터장]