[사이언스] 공룡을 멸종시킨 것은 운석이 아니다?

[비즈한국] 경상남도 합천에 있는 초계분지는 거대한 밥그릇처럼 사방이 둥글게 산으로 둘러싸인 독특한 모양이다. 내륙 지방에선 자연스러운 침식으로 만들어지기 어려운 모양이기 때문에 오랫동안 이 지형의 기원이 수수께끼로 남아 있었다. 그런데 최근 지질학자들은 이곳이 과거 거대한 소행성의 충돌로 인해 만들어진 크레이터라는 사실을 밝혀냈다.

지질학자들의 분석에 따르면 지금으로부터 약 5만 년 전 한반도 남부 합천에 약 200미터 크기의 거대한 운석이 떨어졌다. 그 순간 폭발의 위력은 히로시마 원자 폭탄의 약 100배에 달했을 것으로 추정된다. 지금의 경상남도 일대는 완전히 초토화되었을 것이고, 충청도와 경기도 인근까지 폭발의 영향력이 미쳤을 것이다. 합천 초계 분지는 이제 동아시아에서 가장 거대한 운석 크레이터로 이름을 올리게 되었다.

초계분지는 지질학적 분석을 통해 거대 운석이 충돌할 때 만들어지는 광물이 확인되면서 우리나라에서 확인된 최초의 거대 운석 크레이터가 되었다. 이미지=한국지질자원연구원

5만 년 전이라면 한반도에 구석기 인류가 살고 있었을 가능성이 높다. 당시 한반도에 살고 있었을 우리의 먼 조상들은 예고도 없이 찾아온 이 운석 충돌로 갑작스러운 죽음을 맞이했을 것이다. 어쩌면 이전까지 남아 있던 한반도 구석기의 역사는 이때 모두 리셋 되었을지도 모른다.

이처럼 운석 충돌은 갑작스럽게 찾아와서 대멸종을 일으키는 존재처럼 느껴진다. 또 다시 지구에 대멸종이 언제 벌어질지 예측하는 건 어려워 보인다. 그런데 과연 그럴까? 놀랍게도 우리 지구의 역사를 돌이켜보면 대멸종의 순간은 꽤 주기적으로 찾아온 것처럼 보인다. 그리고 그 주기 속에 우리를 위협하는 진짜 범인의 단서가 숨어 있을지도 모른다. 과연 지구에 찾아왔던 주기적인 대멸종의 진짜 원인은 무엇이었을까?

지질학자들은 약 2600만 년에서 3000만 년 ㅈ귀로 지구에 대멸종이 찾아왔다고 추정한다. 주기적인 지구 대멸종을 야기한 진짜 범인의 가능성이 새롭게 주목을 받고 있다.

#지구의 대멸종은 주기적으로 찾아왔다?

1984년 미국의 고생물학자 데이비드 라웁(David M. Raup)은 고생물 화석의 종류와 수가 시간에 따라 어떻게 변했는지를 분석했다. 이를 통해 많은 종류의 고생물 화석 수가 급격하게 줄어드는 대멸종의 시기를 확인할 수 있었다. 그런데 놀랍게도 대멸종이 벌어진 시기가 약 2600만 년을 주기로 반복되는 것처럼 보였다.

정말 지구에는 대멸종이 주기적으로 찾아오는 것일까? 그렇다면 대체 무엇이 그런 주기적인 멸종을 야기한 걸까?

우리가 가장 잘 아는 대멸종은 바로 약 1억 년간 지구를 지배했던 거대 파충류 공룡이 갑자기 사라진 사건일 것이다. 현재 많은 과학자들은 갑작스럽게 지구에 떨어진 거대한 운석이 백악기를 끝내버렸다고 추정하고 있다.

콜로라도 남부 지층에서 발견된 K/Pg 경계층. 사진=Kirk Johnson, Denver Museum of Nature & Science

지구 전역의 지층을 보면 공룡의 흔적이 갑자기 사라지고 신생대 생물의 화석이 등장하기까지 사이에 얇은 경계층이 있다. 이 경계를 백악기(Kreide)와 신생대 팔레오기(Paläogen)를 구분한다는 뜻에서 K/Pg 경계층이라고도 부른다. 흥미롭게도 이 경계층은 다른 지층에 비해 유독 이리듐이란 원소가 30배 이상 많이 검출된다. 그런데 이리듐은 지구에선 흔치 않은 성분이다. 이리듐이 대체 어디에서 와서 지구 전역 지층에 얇게 남게 된 건지는 미스터리였다.

물리학자 루이스 앨버레즈(Luis Walter Alvarez)는 지질학자인 아들에게서 이 흥미로운 이야기를 전해듣고 과거 자신이 참여한 원자폭탄 개발 프로젝트, 맨해튼 프로젝트의 경험을 떠올렸다. 그는 일본 히로시마에 원자폭탄이 떨어지는 모습을 직접 비행기에서 관찰한 적도 있었다. 원자폭탄이 터지면서 주변에 방사성 물질의 낙진이 깔리는 것을 여러 번 직접 목격한 앨버레즈는 백악기와 신생대 경계 지층에서 발견되는 이리듐의 흔적이 전 지구적인 폭발의 낙진 흔적일 수 있다는 생각을 떠올렸다.

2차 세계대전 당시 티니안 섬에 방문해 기념사진을 찍었던 젊은 시절의 앨버레즈(왼쪽 두 번째). 사진=Atomic Heritage Foundation

이리듐은 지구에선 드물지만, 지구 바깥 소행성에는 훨씬 많은 성분이다. 앨버레즈는 오래전 지구에 거대한 소행성이 충돌했고, 그 소행성에 들어 있던 이리듐이 지구 전역에 남았을 것이라 생각했다. 그 충돌의 여파로 당시 지구를 호령하던 거대 파충류가 갑작스런 최후의 날을 맞이했을 것이라 생각했다. 지층에 얇게 남아 있던 이리듐 층은 갑작스런 죽음을 맞이한 공룡의 무덤을 덮어주는 ‘지질학적 천금(天衾)’이었던 셈이다.

약 6500만 년 전 이 최후의 날 벌어진 거대한 충돌의 상처는 현재 멕시코 유카탄반도에 지름 180km의 거대한 크레이터로 남아 있다. 지구에는 이외에도 약 200개의 크고 작은 크레이터들이 남아 있다. 물론 운석 대부분은 바다에 추락했고 긴 세월 풍화 침식을 겪으면서 많이 사라졌을 것이다. 하지만 크레이터에 쌓여 있는 퇴적층의 나이와 방사성 동위원소들의 연령을 비교하면 각 크레이터를 만든 운석 충돌이 대략 언제쯤 벌어졌을지를 계산할 수 있다.

지구에 남아 있는 크레이터가 만들어진 시기를 보면 꽤 일정한 주기로 거대한 충돌이 반복된 것으로 보인다. 화살표로 표시된 시점은 대규모 생태계 대멸종이 있었던 시기를 표시한 것이다. 사진=Michael Rampino/New York University

이 크레이터들의 나이를 쭉 비교해본 지질학자들은 놀라운 패턴을 발견했다. 지구에 운석이 충돌한 시기가 그냥 무작위가 아니라 약 2800만 년을 주기로 반복되고 있었다. 특히 지난 2억 5000만 년 사이에 만들어진 크기 20km 이상의 거대한 크레이터만 골라서 그 생성 시기를 보면 뚜렷한 패턴을 발견할 수 있다. 마침 앞서 고생물학자들이 발견한 약 2600만 년의 생물군 대멸종 주기가 이 운석 충돌 시기와 딱 들어맞았다. 즉 과거 지구에서 벌어진 거의 모든 대멸종 사건은 거대한 운석의 충돌 때문이었다. 그런데 더욱 놀랍게도 그 운석 충돌은 약 3000만 년 정도의 일정한 주기로 반복되고 있는 것처럼 보였다.

#3000만 년마다 벌어지는 놀라운 변화

정말로 대멸종을 일으키는 거대한 운석 충돌이 일정한 주기로 반복되고 있다면, 우리는 앞으로 언제 대멸종이 벌어질지를 예측할 수도 있을 것이다. 그 최후의 날을 미리 계산해서 대응책을 마련하거나, 적어도 마음의 준비라도 미리 할 수 있을 것이다. 그렇다면 대체 무엇이 3000만 년에 한 번씩 지구로 운석을 날리고 있는 걸까?

태양계 근처로 거대한 이웃 별이 지나가면서 그 별의 중력에 의해 태양계 외곽 혜성들이 지구를 향해 쏟아질 수 있다. 하지만 지금까지 태양계 근처를 3000만 년 주기로 반복해서 지나는 궤적을 그리는 이웃 별은 발견된 적 없다. 목성이나 토성 같은 거대한 행성의 영향도 고려되기는 했지만 여전히 ‘규칙적으로’ 반복되는 대멸종을 설명할 수는 없었다. 그런데 천문학자들은 굉장히 생뚱맞은 곳에서 이 ‘3000만 년’이라는 매직 넘버를 발견했다. 바로 우리 은하를 공전하는 태양계의 움직임에서 말이다.

태양은 우리 은하를 약 2억 5000만 년 주기로 맴돌고 있다. 그런데 태양은 은하 원반에 대해서 수직으로 위아래로도 규칙적으로 진동한다. 그래서 우리 은하를 맴도는 태양의 움직임을 보면 그냥 단순히 빙글빙글 도는 것이 아니라, 마치 위아래로 수직으로도 움직이면서 돌아가는 회전목마와 비슷하다. 우리는 태양계란 회전목마에 탄 채 위아래로 오르내리며 우리 은하를 크게 한 바퀴씩 돌고 있다.

은하 원반에 대해서 태양은 수직으로도 진동하는 궤도를 그리며 움직인다. 그래서 태양은 회전목마와 같이 움직이는 셈이다. 이미지=NASA

태양이 은하 원반을 기준으로 위아래로 진동하는 주기는 약 6000만 년이다. 따라서 태양은 약 3000만 년에 한 번씩 은하 원반을 수직으로 통과한다. 재밌게도 이 3000만 년이란 숫자는 지구에 운석이 충돌한 주기와 굉장히 유사하다. 물리학자 리사 랜들(Lisa Randall)은 바로 이 유사성에 주목했다. 그는 태양계가 주기적으로 은하 원반을 수직으로 통과할 때마다 은하 원반을 가득 채우고 있는 암흑물질의 영향을 받을 것이라 추정했다.

우리 은하의 전체 질량에서 사실 눈으로 보이는 별과 가스 구름이 차지하는 비중은 적다. 빛을 내지 않아서 볼 수 없는 암흑물질이 우리 은하 전체 질량의 약 80퍼센트를 차지한다. 아직 암흑물질의 정체가 무엇인지는 확인되지 않았지만, 암흑물질은 오직 중력만 느낄 뿐 다른 종류의 힘으로는 거의 상호작용을 하지 않는 것으로 알려져 있다. 그래서 사실 암흑물질은 은하 원반처럼 복잡하고 특정한 구조를 이루어서 잘 가라앉아 있기 어려울 것이라 생각했다. 우리 은하의 암흑물질은 단순히 중력에 의해 둥글게 모여 있는 거대한 암흑물질 헤일로를 이루고 있을 것이라고만 추정했다.

페르미 우주 망원경으로 포착한 우리 은하 중심부의 감마선 초과(Gamma-ray excess) 현상. 천문학자들은 이를 근거로 은하 중심부에 밀집한 암흑물질 입자들이 서로 소멸하고 충돌하면서 감마선을 방출했을 ‘소산(消散) 암흑물질(dissipative dark matter)’의 가능성을 고려했다.

그런데 2014년 천문학자들은 페르미 우주 망원경을 통해서 암흑물질이 많이 모여 있는 우리 은하 중심부에서 다른 곳에 비해 뚜렷하게 강한 감마선이 더 많이 방출되는 것을 발견했다. 천문학자들은 이것이 어쩌면 암흑물질끼리 서로 충돌하면서 감마선을 방출한다는 가설의 증거가 될 수 있다고 추정했다. 암흑물질이 오직 중력만 느끼는 것이 아니라 서로 약한 상호작용을 할 수 있다는 이 가설에 따르면 암흑물질은 단순히 둥글게만 모여 있지 않고 은하 원반처럼 얇게 가라앉아 특정한 구조로 뭉쳐 있을 수 있다.

랜들의 가설에 따르면 주기적으로 암흑물질 은하 원반을 수직으로 태양계가 통과할 때 태양계 외곽 소천체들의 궤도가 영향을 받아 태양계 안쪽으로 쏟아지는 일이 벌어질 수 있다. 지구에서 일어난 약 3000만 년 주기의 대멸종이 암흑물질과 연관되었을 가능성을 제기했다. 이미지=Don Dixon

랜들은 이 암흑물질끼리 서로 상호작용 할 수 있다는 가설을 적용해서, 암흑물질이 얇은 은하 원반을 함께 이루고 있는 모델을 만들었다. 이 모델에 따르면 암흑물질 원반은 약 35광년의 얇은 두께로 뭉쳐질 수 있다. 또 암흑물질 원반의 밀도는 1광년 사이즈 박스당 태양 하나 정도의 질량이 들어 있는 수준이다. 이렇게 재현한 암흑물질 원반을 태양계 회전목마가 위아래로 주기적으로 통과하면서 받게 되는 영향을 계산했다. 암흑물질 원반의 중력은 태양계 외곽 오르트 구름 속 혜성들을 건드려서 한꺼번에 많은 운석이 태양계 안쪽으로 쏟아지게 만들 수 있을 만큼 충분히 강했다. 모델 속 태양계가 3000만 년에 한 번씩 암흑물질 은하 원반을 통과할 때마다 모델 속 지구도 3000만 년에 한 번씩 운석의 융단폭격을 당했다.

#새로운 어둠의 손길이 곧 다가온다?

흥미롭게도 지구에 남아 있는 여러 지질학적 흔적들을 보면 2600만 년에서 3000만 년 사이의 어떤 주기적인 패턴을 보인다. 운석 크레이터뿐 아니라, 지구 생명체의 대멸종을 야기한 대규모 화산, 지진, 그리고 갑작스런 기후 변화의 흔적 역시 이 패턴을 잘 따라간다. 이러한 지질학적 패턴도 태양계가 주기적으로 암흑물질 은하 원반을 통과하기 때문이라는 가설로 설명할 수 있다.

1998년 물리학자 아스파 아바스(Afsar Abbas)는 지구가 암흑물질을 통과할 때, 많은 양의 암흑물질이 지구의 중력에 이끌려 지구 내부 중심 핵에 쌓일 수 있다고 생각했다. 지구 중심 핵에 높은 밀도로 쌓이게 된 암흑물질은 서로 충돌하고 소멸하면서 많은 에너지를 방출할 수 있다. 이때 방출되는 암흑물질의 열 에너지는 지구가 평소에 자기장을 유지하기 위해서 필요한 수준의 500배까지 높아질 수 있다. 갑작스럽게 이런 막대한 열이 지구 내부에서 방출된다면 지구에선 대규모 지진과 화산 폭발이 벌어질 수 있다.

지구 내부에 축적된 암흑물질에서 방출되는 열이 지질활동에 영향을 주었을 가능성도 있다. 이미지=SCIENCE PHOTO LIBRARY

지구에서 일어난 대멸종은 화산, 운석, 지진 때문이 아니었을지 모른다. 그것들은 단지 2차적인 피해였을 뿐, 대멸종을 일으킨 진짜 근원은 주기적으로 태양계를 휩쓸고 지나간 암흑물질인 건 아닐까?

만약 이 가설이 사실이라면 우리는 다음 대멸종이 언제 찾아올지를 예측할 수 있지 않을까? 현재 우리 태양계는 은하 원반의 어디를 지나고 있을까? 우리 태양계는 최근 100만 년 전에 은하 원반을 아래에서 위로 통과했고, 지금은 은하 원반 위로 살짝 올라와 있는 상태다. 우리 태양계는 지금으로부터 딱 100만 년 전에 암흑물질 구간을 통과한 직후다.

태양계 최외곽 오르트 구름에 있는 소천체가 외부의 중력 영향으로 궤도가 틀어져서 태양계 안쪽으로 진입하기까지는 대략 수십만에서 수백만 년 정도의 시차가 발생한다. 이미지=ESO/L. Calçada

그런데 보통 태양계 가장자리에 있던 오르트 구름 속 혜성, 소행성 들이 천천히 움직이기 시작해서 태양계 안쪽으로 날아오기까지 걸리는 시간이 100만 년 정도다. 즉 암흑물질에 의해 태양계 끝자락 혜성이 굴러오기 시작해서 지구로 떨어지기까지 약 100만 년의 시차가 발생한다. 따라서 지구의 대멸종이 암흑물질에 의해 좌우되고 있다는 이 가설에 따르면, 현재 우리는 굉장히 아슬아슬한 시기를 보내고 있는 셈이다. 지구가 100만 년 전에 암흑물질 원반을 통과했고, 지난 100만 년 동안 태양계 안쪽으로 날아온 소행성들이 이제 곧 지구에 도착해야 할 테니까. 어쩌면 합천에 약 5만 년 전에 떨어진 운석 역시 지구가 암흑물질을 통과하면서 떨어진, 곧 다가올 융단폭격의 신호탄이었던 건 아닐까?

만약 리사 랜들이 제기한 이 암흑물질 원반 가설이 사실이라면, 지구뿐 아니라 우리 은하 원반을 함께 맴돌며 살아가는 많은 행성들, 그곳의 외계 문명들 역시 약 3000만 년을 주기로 반복해서 행성의 운명을 가르는 시험을 치르는지도 모른다. 현재 약 45억 살을 넘긴 우리 지구는 지금까지 약 150번의 위기를 통과했고, 그때마다 지구에선 끔찍한 대멸종의 위기가 찾아왔을 것이다.

우리는 곧 또 다른 다음 운명의 시험을 앞두고 있는지 모른다. 과연 우리는 100만 년 전 암흑물질 구간을 무사히 통과했을까? 이번 시험은 큰 위기 없이 무사히 지날 수 있는 걸까? 암흑물질 원반 가설이 사실일지, 지구는 대멸종을 맞이하게 될지, 암흑물질 원반 가설과 지구, 둘의 운명은 같은 날 정해지게 될 것이다.

참고

https://www.nature.com/news/did-dark-matter-kill-the-dinosaurs-1.14839

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.161301

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0927650597000510?via%3Dihub

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2212686416000030?via%3Dihub

필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.

지웅배 과학칼럼니스트 galaxy.wb.zi@gmail.com