월석

1. 개요

월석은 달에서 채취된 암석으로, 미국의 아폴로 계획, 소련의 루나 계획, 중국의 달 탐사 계획, 그리고 달에서 기원한 월운석을 통해 얻어진다. 아폴로 계획을 통해 382kg, 루나 계획을 통해 326g, 창어 계획을 통해 3666.3g의 월석이 지구로 가져왔다. 월석은 주로 사장석, 휘석, 감람석, 일메나이트 등의 광물로 구성되어 있으며, 달 고지대와 바다에서 발견되는 암석의 성분 차이를 보인다. 방사성 연대 측정 결과, 달의 바다에서 채취한 현무암은 약 31억 6천만 년, 고지대 암석은 최대 44억 4천만 년으로 측정되었다. 월석은 존슨 우주 센터에 보관되며, 일부는 박물관에 전시되어 일반인에게 공개되기도 한다. 달에서는 아르말코라이트, 트랭퀼리티아이트, 파이록스페로아이트 등 새로운 광물이 발견되었으며, 아폴로 계획 음모론에서 월석의 진위 여부가 논란이 되기도 한다.

2. 입수 방법

지구에서 구할 수 있는 월석은 크게 네 가지 경로를 통해 얻어진다. 미국의 아폴로 계획, 소비에트 연방의 루나 계획, 중국의 달 탐사 계획, 그리고 달에서 충돌로 생겨난 파편이 지구로 온 월운석을 통해서이다.

아폴로 계획과 루나 계획을 통해 채취된 월석 외에도, 2006년까지 발견된 90여 개의 달 운석은 30kg 이상이다. 2017년 1월 사하라 사막의 알제리와 모리타니 국경에서 발견된 "NWA 12691"로 알려진 달 암석은 무게가 13.5kg이며, 2020년에는 250만 달러에 판매되었다.

2.1. 아폴로 계획

미국의 아폴로 계획은 6차례의 임무를 통해 382 kg, 2,415개의 월석 표본을 지구로 가져왔다. 6차례의 아폴로 미션에서 381kg 무게의 물질 표본 2,200개를 수집하여 110,000개 이상의 개별적으로 분류된 표본으로 가공했다.

월석은 해머, 갈퀴, 삽, 집게, 코어 튜브와 같은 다양한 도구를 사용하여 채취되었다. 채취 전 발견 시점의 상태를 사진으로 기록했고, 채취 시 샘플 봉투에 넣은 후 오염 방지를 위해 특별 환경 시료 용기에 격납되어 지구로 가져왔다.

2.2. 루나 계획

소련은 1970년대에 유인 달 탐사 계획 시도를 포기했지만, 세 대의 무인 루나 우주선을 착륙시켜 소량의 월석 샘플을 지구로 가져오는 데 성공했다. 루나 계획으로 가져온 월석 샘플은 총 0.5kg 미만이었다.

1993년, 루나 16호에서 채취한 200mg 무게의 작은 암석 조각 3개가 소더비에서 442500USD에 판매되었다. 2018년에는 같은 루나 16호 암석 조각 3개가 소더비에서 855000USD에 판매되었다.

2.3. 창어 계획

창어 5호는 2020년 륌커 산에서 1731g의 월석 표본을 채취했고, 창어 6호는 2024년 달 뒷면의 아폴로 분화구 남쪽에서 1935.3g의 월석 표본을 채취했다.

2020년, 중국 달 탐사 계획의 다섯 번째 달 탐사 임무인 창어 5호는 달의 가장 큰 어두운 지역인 폭풍의 바다 서쪽 가장자리에서 약 1731g의 암석과 먼지를 회수했다. 창어 5호 시료에는 '당혹스러운 조합'의 광물이 포함되어 있으며, Changesite-(Y)라는 여섯 번째 새로운 달 광물이 포함되어 있다.

창어 5호의 후속 임무인 창어 6호는 2024년 5월 8일 달에 도달하여 20일 동안 달 궤도에 진입했다. 2024년 6월 1일, 착륙선은 궤도선에서 분리되어 아폴로 분화구 남쪽 부분(36.1°S, 208.3°E)의 마레 지역에 착륙했다. 이 임무의 목표는 달의 뒷면에서 약 2kg의 물질을 수집하여 지구로 가져오는 것이었다.

중국 국가 우주국(CNSA)의 발표에 따르면, 창어 6호 탐사선은 고온을 견디고 달 표면을 드릴로 뚫고 기계 팔로 토양과 암석을 퍼올려 시료를 수집했다. 수집된 암석은 부서지고 녹아 사람 머리카락 굵기의 3분의 1 정도 되는 실로 뽑아져 실로 만들어 천으로 짰다.

시료는 2024년 6월 6일 창어 6호 궤도선-귀환선과 도킹한 상승선에 실렸다. 달의 뒷면에서 수집한 최초의 달 암석을 운반하는 중국의 창어 6호 달 탐사선은 2024년 6월 25일 중국 내몽골 자치구에 착륙했다.

3. 성분

월석에는 검은 가루가 붙어 있는데, 이 가루는 초자성(硝子性)을 띤 아주 작은 구슬 조각의 집합이다. 달에서 채집한 가루의 거의 절반은 초자성이었으며, 이는 0.2mm 이하의 구(球)·타원·아령형과 다(茶)·황(黃)·녹(綠)색의 색깔, 투명 또는 반투명의 얇은 판상(板狀)을 이룬 다색 등으로 분류할 수 있다. 이 초자분(硝子粉) 외에도 가루 중에는 사장석, 단사휘석, 티탄철광(Titan 鐵鑛) 등의 암석과 광물질도 섞여 있었다.

달 암석은 현무암에 가까운 티탄철 광분이 풍부한 암석과 결정질 화성암(結晶質火成岩), 그리고 각력암(角礫岩)으로 구분된다. 달 암석은 달의 지질에 따라 크게 달 고지대 암석과 달의 바다 암석으로 나뉜다.

거의 모든 달 암석은 휘발성 물질이 고갈되었으며, 지구 암석에서 흔히 발견되는 수화 광물이 전혀 없다. 달 암석은 원소 산소의 동위원소 조성 측면에서 지구 암석과 밀접한 관련이 있다. 달 지각의 상당 부분은 광물 애너타이트가 고농도로 함유된 암석으로 구성된 것으로 보이며, 바다 현무암은 비교적 높은 철 값을 갖는다. 또한, 일부 바다 현무암은 일메나이트 형태로 티타늄 수치가 매우 높다.

방사성 연대 측정에 따르면, 달의 돌은 지구상의 돌에 비해 훨씬 오래되었으며, 태양계의 역사 초기에 거슬러 올라가는 샘플 자료가 된다. 달의 돌은 초염기성암과 염기성암이며, 지구 표면에서 일반적으로 발견되는 지각의 암석과 비교하면 달의 돌은 지구의 암석과 비교하여 마그네슘에 대한 철의 함량이 적고, 칼륨, 나트륨과 같은 휘발성 원소가 지구의 지각 암석에 비해 부족하며, 또한 수분을 거의 포함하지 않는다. 과거에는 물 분자를 전혀 포함하지 않는다고 생각했지만, 2008년에 미량의 분자도 검출할 수 있는 2차 이온 질량 분석법을 사용하여 아주 미량의 물이 포함되어 있다는 것이 밝혀졌으며, 달의 지하 깊숙이에는 지구의 마그마와 유사한 수분이 포함되어 있을 가능성이 제기되었다. 2011년 홋카이도 대학 그룹의 SIMS를 사용한 연구 결과에 따르면, 달의 물은 지구의 그것과는 수소 동위체 비율이 다르며, 혜성의 수소 동위체 비율과 유사하다.

달 표면은 모래(레골리스)로 덮여 있다. 레골리스는 운석 등에 의해 잘게 부서진 암석 조각이 퇴적된 것으로, 달 표면의 거의 전체를 수십 센티미터에서 수십 미터의 두께로 덮고 있다. 레골리스 입자는 매우 미세하여 우주복이나 정밀 기계 등에 들어가기 쉽고 문제를 일으킨다. 그러나 레골리스의 약 절반은 산소로 구성되어 있어, 산소의 공급원이나 건축 재료로도 기대되고 있다. 또한 태양풍에 의해 운반된 수소와 헬륨-3이 흡착되어 있으며, 그 밀도는 낮지만 그들의 공급원으로도 생각된다. 헬륨-3는 핵융합의 원료가 된다.

달 표면에서 발견된 신광물에는 아폴로 11호에 탑승했던 3명의 우주 비행사인 암스트롱, 올드린, 콜린스의 이름을 따서 명명된 아르말코라이트, Pyroxferroite^영어, 트란퀼리티아이트, 창어석이 있다. 다만, 창어석을 제외한 나머지는 후에 지구상에서도 발견되었기 때문에, 달에 고유한 광물이라고는 할 수 없게 되었다.

3.1. 달 고지대 암석

달 고원의 주요 화성암은 철질 사장암 계열, 마그네슘 계열, 알칼리 계열의 세 가지 그룹으로 나뉜다.

* 철질 사장암 계열: 90% 이상의 칼슘 사장석으로 구성된 사문암과 70~80%의 칼슘 사장석, 소량의 휘석으로 구성된 사장암 섬록암으로 구성된다. 달 마그마 바다의 사장석 부유 누적암을 나타내는 것으로 추정된다. 사장석은 몰 질량의 어노사이트 함량이 94–96%(An94–96)로 매우 칼슘이 풍부하다. 철질 사장암은 약 44억 년 전에 형성된 것으로 추정된다.

* 마그네슘 계열: 둔암(90% 이상의 감람석), 트로토라이트(감람석-사장석), 섬록암(사장석-휘석)으로 구성되며, 암석 광물에서 비교적 높은 Mg/Fe 비율과 다양한 사장석 조성(An86–93)을 가진다. 약 43억~41억 년 전에 고원 지각(철질 사장암)에 관입한 것으로 추정된다. KREEP가 풍부한 마그마와의 평형이 필요한 것으로 알려져 있다.

* 알칼리 계열: 높은 알칼리 함량으로 인해 명명되었으며, 비교적 소듐 사장석(An70–85)을 가진 알칼리 사장암, 노라이트(사장석-사방휘석), 개버노라이트(사장석-단사휘석-사방휘석)로 구성된다. 마그네슘 계열과 유사한 연대 범위를 가지며, KREEP가 풍부한 모마그마를 나타낸다.

3.2. 달 바다 암석

달 현무암은 달의 바다의 큰 부분을 구성하며, 지구 현무암과 유사하지만 몇 가지 중요한 차이점이 있다. 예를 들어, 달 현무암은 큰 음의 유로퓸 이상을 보인다. 또한, KREEP 현무암은 칼륨 함량이 높다.

달 현무암의 주요 특징은 다음과 같다:

* 화학 조성: 무게 기준으로 18~21%의 FeO와 1~13%의 TiO₂를 포함한다.
* KREEP 현무암: 특별한 칼륨 함량을 가지며, 폭풍의 바다 주변에서 주로 발견된다. 높은 토륨 함량으로 원격 감지에서 식별된다.

달 현무암의 광물 조성은 아래 표와 같다.

4. 연대 측정

방사성 연대 측정법으로 측정한 결과, 달의 바다에서 채취한 현무암 샘플은 약 31억 6천만 년 전, 고지대에서 채취한 암석은 최대 약 44억 4천만 년 전의 것으로 나타났다. 이는 지구의 돌보다 훨씬 오래된 것이며, 태양계 역사 초기 자료가 된다.

5. 보관 및 관리

아폴로 월석의 주요 보관소는 미국 텍사스주 휴스턴의 존슨 우주 센터 내 달 샘플 실험실 시설이다. 안전을 위해 뉴멕시코주 라스 크루세스 인근 화이트 샌즈 시험 시설에도 소량 보관되어 있다. 월석은 습기를 제거하기 위해 질소 속에 보관되며, 특수 도구를 사용하여 간접적으로 취급된다.

6. 새로운 광물 발견

달에서는 아르말콜라이트, 트랭퀼리티아이트, 파이록스페로아이트, 창어석 등 새로운 광물이 발견되었다. 아르말콜라이트는 아폴로 11호 임무의 세 우주비행사인 암스트롱, 올드린, 콜린스의 이름을 따서 명명되었다. 다만, 창어석을 제외한 나머지는 후에 지구상에서도 발견되었기 때문에, 달에 고유한 광물이라고는 할 수 없게 되었다.

7. 논란 및 음모론

아폴로 계획 음모론에서는 월석이 가짜이며, 미국의 사막에서 주워온 것이라는 주장이 제기되기도 한다. 그러나 이러한 주장은 과학적 증거와는 맞지 않는다.

월석은 지구의 암석과는 연대와 성분에서 뚜렷한 차이를 보인다. 특히 방사성 붕괴 연대는 매우 다르다. 예를 들어, 달의 고원 지역에서 발견되는 아노사이트나 트로크톨라이트에 포함된 사장석은 칼슘 함량이 매우 높다. 이는 해당 암석이 고온의 마그마에서 기원했음을 보여주며, 지구에서는 이러한 사장석이 발견되지 않는다. 암석 연대 측정에 조금이라도 지식이 있는 사람이라면 철은 연대 측정과 관련이 없다는 것을 알 수 있다. 또한, 철 함량이 적다는 주장도 마그네슘과 비교했을 때 적다는 의미일 뿐, 사실과 다르다.

월석에는 미소 운석 충돌로 인한 현미경 수준의 마이크로 크레이터가 남아있다. 이는 월석이 진공 상태에 노출되었다는 증거이다. 지구에서는 대기와의 마찰로 인해 미세 운석이 타버리고, 마이크로 크레이터와 같은 흔적은 풍화 작용으로 사라진다.

월석 연구 결과는 일반인을 위한 서적을 포함하여 다양하게 발표되었다. 우라늄·납 계열 방사성 동위원소 관련 연구도 많다. 아폴로 계획으로 가져온 월석은 분석 장비의 발전에 맞춰 조금씩 분석이 계속되고 있으며, 국립 극지 연구소와 우주 항공 연구 개발 기구(JAXA), 해외에도 현재 월석을 연구하는 학자들이 있다.

NASA에서 일본으로 보낸 월석은 여러 개이며, 1개가 아니다. 도쿄 대학 외에도 JAXA나 국립 극지 연구소에서 월석 연구가 이루어지고 있으며, 기타큐슈시의 스페이스 월드와 같은 민간 박물관 시설에 대여된 월석도 있다. 다만, 일본에 처음 보내진 아폴로 11호의 월석은 "대여"였기 때문에 1970년에 모두 미국으로 반환되었다.

레이저 반사경을 이용한 실험이 현재 불가능하다는 주장도 있지만, 캘리포니아 대학교 샌디에이고에서 Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation이라는 레이저 측량 실험이 현재도 진행되고 있다.