미 항공우주국(나사·NASA) 과학자들이 실험실에서 화성의 거미 지형 재현에 성공했다고 나사가 지난 11일(현지시간) 홈페이지를 통해 밝혔다.

2003년 궤도선 이미지를 통해 발견된 이후, 화성 남반구에 펼쳐진 거미 모양의 지형은 그동안 과학자들의 호기심을 자극해 왔다. 각각의 가지 형태는 길이가 1km 이상 뻗어 있으며 수백 개의 가느다란 '다리'를 포함하고 있다. '아라네이폼 지형'이라고 불리는 이 지형은 종종 군집을 이루어 표면에 주름진 모습을 띠고 있다.

지금까지는 지구에는 자연적으로 존재하지 않는 이산화탄소 얼음과 관련된 과정을 통해 이 '거미' 지형이 생성된다는 이론이 지배적이었다. 하지만 최근 '행성과학저널(The Planetary Science Journal)'에 발표된 논문에 따르면, 과학자들은 화성의 온도와 기압을 모방한 환경에서 처음으로 이러한 형성 과정을 재현하는 데 성공했다.

NASA 제트추진연구소(JPL)의 로렌 맥키온은 "이 거미들은 그 자체로도 기이하고 아름다운 지질적 특징"이라며 "이번 실험은 거미 지형이 어떻게 형성되는 지에 대한 모델을 개선하는 데 도움이 될 것"이라고 말했다. 

이번 연구는 '키퍼 모델(Kieffer model)'에서 설명하는 몇 가지 형성 과정을 확인했다.  키퍼 모델은 화성의 남반구에서 발견되는 독특한 거미 모양 지형 즉 '아라네이폼' 지형의 형성 과정을 설명하는 이론이다. 이 모델은 햇빛, 이산화탄소 얼음, 그리고 토양 사이의 상호 작용을 통해 이러한 지형이 만들어진다고 설명한다. 

화성의 거미 지형이 만들어지는 원리는 다음과 같다. 

먼저 겨울마다 화성 표면에 쌓이는 투명한 이산화탄소 얼음층을 통해 햇빛이 토양을 가열한다. 토양은 위의 얼음보다 어둡기 때문에 열을 흡수하고, 그 결과 가장 가까운 얼음이 액체 상태를 거치지 않고 바로 가스로 변하는 '승화' 과정이 발생한다. 드라이아이스가 액체가 아닌 기체 상태로 바로 변하는 것이 승화다. 

다음으로 가스 압력이 증가하면 화성의 얼음에 균열이 생기고 가스가 빠져나갈 수 있게 된다. 가스가 위로 스며 나오면서 토양에서 나온 어두운 먼지와 모래를 함께 끌고 올라가 얼음 표면에 쌓이면서 거미 다리와 같은 모양이 생성된다. 

즉, 키퍼 모델 이론에 따르면 겨울이 봄으로 바뀌고 남은 얼음이 승화하면 가스 분출로 인해 거미 모양 지형이 남게 된다. 

실험실에서 화성 재현

연구팀에게 가장 아려운 부분은 화성 극지 표면의 조건, 즉 극도로 낮은 기압과 영하 185도에 이르는 낮은 온도를 재현하는 것이었다. 이를 위해 맥키온은 JPL의 액체 질소 냉각 테스트 챔버인 DUSTIE((Dirty Under-vacuum Simulation Testbed for Icy Environments)를 사용했다.

맥키온은 "DUSTIE를 좋아한다. 역사적인 장비다"라며 와인통 크기의 이 챔버가 NASA의 화성 탐사선 피닉스 착륙용으로 설계된 긁는 도구 프로토타입을 테스트하는 데 사용되었다고 밝혔다. 이 도구는 탐사선이 화성 북극 근처에서 물로된 얼음을 깨고 물을 퍼올려 분석하는 데 사용됐다.

이번 실험에서 연구원들은 액체 질소 욕조에 담긴 용기에 화성 토양 시뮬레이션 물질을 넣고 냉각했다. 그런 다음 이를 DUSTIE 챔버에 넣고 화성 남반구와 유사한 기압으로 낮췄다. 이후 이산화탄소 가스를 챔버에 주입하고 3~%시간 동안 기체에서 얼음으로 응축시켰다. 맥키온은 실험에 적합할 만큼 충분히 두껍고 투명한 얼음을 얻기 위해 여러번 시도해야 했다.

화성 남반구와 적절한 특성을 가진 얼음을 얻은 후에는 챔버 내부 시뮬레이션 물질 아래에 히터를 놓고 가열해 얼음 균열을 일으켰다.

 맥키온은 마침내 분말 시뮬레이션 물질 내부에서 이산화탄소 가스 기둥이 분출되는 것을 보고 기뻐했다. 그는 "금요일 늦은 저녁이었는데, 실험실 관리자가 제 비명 소리를 듣고 뛰어왔다"며 5년 동안 이런 기둥을 만들기 위해 노력해왔다고 말했다.

어두운 기둥은 시뮬레이션 물질에서 구멍을 뚫고 뿜어져 나왔고, 모든 압축 가스가 배출될 때까지 10분 동안 시뮬레이션 물질을 분출했다.

실험 결과, 키퍼 모델에는 반영되지 않은 놀라운 사실이 발견됐다. 시뮬레이션 물질 알갱이 사이에 얼음이 형성된 후 균열이 생긴 것이다. 이러한 과정은 왜 '거미 지형'이 더 갈라진 모습을 갖는 지 설명했다. 갈라짐 현상 발생 여부는 토양 알갱이의 크기와 지하에 얼음이 얼마나 묻혀 있는지에 따라 달라지는 것으로 보인다. 

JPL의 세리나 디니에가는 "이것은 자연이 교과서 이미지보다 조금 더 복잡하다는 것을 보여주는 세부 사항 중 하나"라고 말했다. 

향후 거미 지형 기둥 테스트 계획

기둥 형성 조건을 찾은 연구팀은 다음 단계로 아래의 히터 대신 위에서 인공 태양을 비추는 실험을 시도할 계획이다. 이를 통해 연구팀은 기둥과 토양 분출이 발생할 수 있는 조건의 범위를 좁힐 수 있을 것으로 보인다. 

그럼에도 실험실에서는 답할 수 없는 거미 지형에 대한 많은 질문이 남아 있다. △왜 화성의 특정 지역에서만 거미 지형이 형성되었을까? △계절 변화의 결과로 나타나는 것으로 보이는 거미 지형은 왜 시간이 지나도 그 수나 크기가 증가하지 않는 것일까? 등이다.

거미 지형은 화성의 기후가 달랐던 먼 과거에 형성되었을 가능성도 있으며, 화성의 과거를 들여다 볼 수 있는 독특한 창을 제공할 수도 있다. 

과학자들은 당분간 실험실 실험을 통해서만 화성의 거미 지형에 가까이 다가갈 수 있을 것으로 보인다.  화성 탐사선 큐리오시티와 퍼시비어런스 로버는 화성 남반구에서 멀리 떨어진 곳을 탐사하고 있다. 이 지역에는 아직 어떤 우주선도 착륙한 적이 없다. 2007년 8월 발사돼 2008년 5월 25일 화성 북반구에 착륙한 피닉스 우주선은 극심한 추위와 제한된 햇빛으로 같은해 11월 10일 임무가 종료됐다. 피닉스 탐사선은 물과 생명체를 탐사하는 두 가지 목표를 가졌지만 화성의 극한의 기온을 견디지 못했다.