지구 철이 달과 다른 이유, 니켈에 있었다

2017년 02월 23일 18:00

철은 지구를 구성하는 가장 기본적이고 중요한 원소다. 지구 뿐만 아니라 수성이나 금성, 화성, 소행성처럼 암석형으로 된 천체라면 철이 반드시라고 해도 좋을 정도로 주요 구성원소로 포함돼 있다. 그런데 이 철 원소는 천체마다 모두 다른 철이다. 각 천체마다 질량이 조금씩 다른 철로 구성돼 있다. 태양계가 탄생했을 당시 동일하게 만들어진 천체임에도 다른 철 원소로 구성된 이유는 그동안 명확히 밝혀지지 않았었다.

 

미국 카네기연구소 스테판 엘라도와 아낫 샤하 연구팀은 태양계 천체에 있는 철이 각각 서로 다른 동위원소가 된 까닭은 니켈과의 상호작용에 있다는 연구 결과를 네이처 지오사이언스 20일자에 발표했다.

 

 

지하 깊숙한 곳에서 만들어진 마그마를 전자현미경을 통해 본 모습. 왼쪽 상단의 밝은 부분이 금속이다.  - 스테판 엘라도 제공
지하 깊숙한 곳에서 만들어진 마그마를 전자현미경을 통해 본 모습. 오른쪽 상단의 밝은 부분이 금속이다.  - 스테판 엘라도 제공

 

 

원자번호 26번 철은 지구의 핵을 구성하는 주요 원소다. 우주에서 철은 태양보다 훨씬 큰 항성에서 핵융합에 의해 만들어진다. 수소, 헬륨, 탄소 등을 거쳐 몇 단계 후 마지막에 철이 만들어진다. 이 때문에 철은 우주에서 가장 안정한 원소라고도 한다. 이렇게 만들어진 철은 표준 원자량 55.845(약 56)지만 54, 57, 58, 60인 동위원소도 존재한다.

 

태양계 뿐만 아니라 다양한 외계에서 철이 만들어져 왔기 때문에 우주의 천체들은 철을 구성원소로 갖고 있는 경우가 많다. 지구에 떨어진 운석만 하더라도 철이 다량 포함돼 있어, 광산에서 철을 정련할 수 없었던 청동기-철기 무렵에는 운석을 정련해 철 도구를 만들기도 했다.

 

태양계 생성 당시 만들어진 행성들도 철을 갖고 갖고 있다. 수성이나 금성, 지구, 화성을 비롯해 소행성대까지 암석형 천체들은 대부분 철을 갖고 있다고 해도 무방하다. 다만 각 천체에 함유된 철의 종류가 모두 다르다. 분명 생성 초기에는 태양계의 재료가 된 동일한 철임에도 천체가 만들어진 뒤 현재는 서로 다른 곳에서 온 철 마냥 종류가 달라 과학자들이 의문을 품어왔다.

 

엘라도 연구팀은 천체가 만들어지고 원소가 재구성되는 과정을 재현해 철이 어떤 과정을 거쳐 현재의 모습을 갖게 됐는지 실험으로 재현했다. 그 결과 천체가 만들어지는 과정에서 철이 최초의 성질을 잃고 서로 다른 모습이 되는 것을 발견했다. 예를 들어  지구의 핵이 만들어질 때는외계에서 온 운석처럼 원자량이 높은 동위원소가 만들어졌다. 반면 달이나 화성, 소행성 베스타와 같은 천체의 핵이 만들어질 때는 지구의 핵이 만들어질 때보다 온도와 압력이 낮은데, 이 때 원자량이 낮은 철 동위원소가 만들어졌다.

 

연구팀은 천체마다 철 동위원소가 다르게 생성되는 이유를 니켈에 있다고 추측했다. 알라도 박사는 “천체에 포함된 니켈이 철의 원자핵에서 중성자가 분리되도록 영향을 주는 것으로 보인다”며  “지구의 경우 핵이 생성될 당시 온도와 압력이 높아 니켈의 영향을 받지 않았고, 이 때문에 지구 핵에는 생성 당시의 철이 그대로 남을 수 있었다”고 말했다.

메일로 더 많은 기사를 받아보세요!

관련기사

인기기사

댓글

댓글쓰기

지금
이기사
관련 태그 뉴스