어린 시절부터 끊임없이 우리의 호기심을 자극하던 질문이 있다. 

바로 ‘공룡은 왜 멸종했을까?’하는 질문이다. 

화산이 폭발해서, 하늘에서 거대한 유성체가 떨어져서, 조산운동으로 인해 기후가 변해서, 심지어 포유류 동물들이 공룡 알을 먹이로 삼아 멸종했다는 설까지 그동안 공룡의 멸종을 둘러싼 많은 이야기는 우리의 호기심을 더 자극했는지도 모른다.

하지만 과학이 발전하면서 우리는 공룡의 멸종이 6천600만 년 전에 거대한 유성체(혜성)가 지구를 강타해 일어났다는 사실을 알게 됐다. 이제 과학자들은 더 나아가 당시 지구를 강타한 유성체(혜성)의 주기성을 관측하고, ‘혜성이 지구에 주기적으로 오는 이유가 무엇일까?’라는 물음을 던진다. 그리고 그 물음에 대해 하버드대 물리학과 교수 리사 랜들(Lisa Randall)은 2016년에 출판한 『암흑 물질과 공룡(Dark matter and the dinosaurs)』에서 암흑 물질을 그 답으로 제시한다.
 

단서1. 공룡에게 무슨 일이?

지구에 생명의 씨앗이 퍼진 후 지구에는 다섯 번의 큰 대량멸종 사건이 있었다. 그 중 가장 최근의 멸종은 우리가 제일 궁금해하는 공룡이 사라진 시점, 바로 중생대와 신생대 경계에서 벌어진 일명 ‘K-Pg’멸종이다. 이는 지질시대 중에 중생대에 해당하는 백악기(Cretaceous)와 신생대 시작인 팔레오기(Paleogene)의 경계에서 벌어졌기 때문에 붙은 이름이다.

K-Pg멸종에 관한 가설은 매우 많다. 그중 하나는 바로 엄청난 양의 화산이 분출해 대규모의 생명체가 멸종했다는 가설이다. 백악기와 신생대의 경계에서 그 증거가 발견됐는데 바로 인도 남부의 데칸 고원에 생성된 데칸 트랩이다. 트랩이란 현무암질 용암대지로 대규모 화산 분출로 인한 엄청난 양의 용암이 넓은 영역에 퍼져서 생기는 지형이다. 당시 생성된 데칸 트랩은 프랑스만 한 크기라고 하니 엄청난 용암이 솟아난 셈이다. 이러한 트랩은 매우 광범위하게 격렬히 활동한 화산의 흔적이므로 화산으로 인한 화산재, 이산화황으로 인한 산성비, 태양 빛의 차단과 같은 2차 피해도 상당했을 것이다. 면밀한 조사 결과 이 트랩이 형성되기까지는 수백만 년이라는 긴 시간이 필요했고 이 기간 동안  생명체는 점차 죽어 갔다. 

이에 더해 6천600만 년 전 엄청나게 큰 유성체가 지구에 떨어지면서 당시 지구상의 생명체에 큰 타격을 입혔다. 유성체 충돌 가설에 대한 근거를 찾던 중 과학자들은 K-Pg경계의 점토층을 조사하며 특이한 점을 발견하게 된다. 바로 점토층의 이리듐 농도가 급격히 높아졌다는 점이다. 이리듐은 희귀 금속으로 밀도가 높다. 그래서 이리듐은 초기지구가 형성될 당시 높은 밀도에 의해 핵으로 가라앉았다.

그래서 과학자들은 이리듐 농도가 높아진 것의 원인을 외계에 두고 가설을 세우게 됐다. 만일 유성체가 지구에 충돌했다면 충돌 이후 시간이 지남에 따라 운석 먼지가 일정한 속도로 쌓였을 것이고 이에 따라 전 세계에 분포된 K-Pg경계의 점토층에서 모두 이리듐 농도가 높게 측정될 것이라고 가설을 세웠다. 또 K-Pg경계 점토층이 형성된 시간을 유추해 충돌체의 크기와 유성체가 충돌하며 남긴 흔적인 크레이터의 크기를 예상하고자 했다.

그 결과 실제로 전 세계에 분포한 K-Pg경계의 점토층에서는 모두 이리듐의 급작스러운 농도상승이 있었고, 공룡이 멸종할 당시 지구에 충돌한 물체가 10~15km는 됐을 것이라는 결론을 내릴 수 있었다. 이 크기는 맨해튼 너비의 3배쯤 된다.

공룡이 멸종할 당시 지구에 가해진 충격을 재구성하면 당시 충돌한 물체의 충격은 TNT* 100조 톤에 맞먹었다. 이는 히로시마 원자폭탄보다 10억 배 더 큰 에너지다. 이 에너지로 인해 지구에는 엄청난 바람과 충격파가 발생했고 충돌한 지점을 중심으로 거대한 쓰나미가 사방으로 퍼져나갔다. 또 바람은 충돌 장소로부터 바깥으로 불었다가 도로 안으로 밀려들면서 생명체에게 치명타를 입혔다. 유성체가 땅으로 떨어질 때 하늘로 솟구쳤던 뜨거운 먼지, 재, 증기는 물질들을 녹이거나 기화해 지옥을 방불케 했다. 또 이 충격으로 지구는 리히터 규모 10에 해당하는 지진을 발생시켰을 것이다. 리히터 규모 10은 인류 기록 역사상 발생한 적이 없다. 이렇게 지구환경이 생명체에게 치명적인 환경으로 갑자기 바뀌면서 공룡은 지구상에서 영영 사라지게 된다. 

수많은 가설 중 하나였던 유성체 가설은 명확한 증거가 추가로 발견되면서 확실한 우위를 차지하게 됐다. 바로 유성체가 충돌했다는 자국, 크레이터를 발견한 것이다. 북아메리카 남쪽과 남아메리카 위쪽 사이에 생긴 ‘칙술루브 푸에르토’라는 이름의 크레이터는 연대측정과 다른 지질학적 증거들을 종합적으로 분석한 결과 6천600만 년 전에 생겼다는 것이 밝혀졌다. 즉 이 크레이터는 공룡을 모두 멸종시킨 바로 그 유성체의 흔적인 것이다. 이는 지난 2010년 「사이언스」에 발표된 논문으로 공식화됐다.
 

단서2. 암흑 물질이 만든 우리 은하와 태양계

이제 공룡을 멸종시킨 이유가 유성체의 충돌이라는 것은 거의 확실해졌다. 하지만 왜 유성체 충돌이 아직도 미지의 영역으로 남아있는 암흑 물질과 연관 있다고 하는 것일까?

암흑 물질은 실제로는 그 이름처럼 새카맣지 않다. 단지 빛에 반응하지 않아 우리 눈에 보이지 않을 뿐이다. 하지만 암흑 물질은 눈에 보이는 물질과 똑같이 우주에 존재하고 심지어 더 많은 공간을 차지하고 있다. 우주 물질 전체의 85%가량을 차지할 정도다. 암흑 물질에 대해 우리 대학교 박성찬 교수(이과대·입자 물리/우주론)는 “우주에 존재하는 물질 중 현재 우리가 알고 있는 물질을 제외하고 중력에만 반응해 존재는 알고 있지만 직접 실험을 통해서는 본 적이 없는 물질을 통칭해 암흑 물질이라 한다”고 말했다.

암흑 물질은 우리 눈에 보이지 않지만 현재 우리가 살고 있는 은하 구조에 엄청난 기여를 하고 있다. 박 교수는 “암흑 물질은 눈에 보이지 않지만 그들의 중력 덕분에 더 잘 뭉쳐진 물질들이 결국 우리 은하와 태양계 를 만들었다”며 “실제로 암흑 물질 없이 현재 우리 우주를 시뮬레이션해보면 지금처럼 은하가 잘 만들어지지 않는다”고 덧붙였다.

우리은하모습과 은하 내 태양계 위치

암흑 물질 덕분에 탄생한 우리 은하는 가스와 별로 이뤄진 원반 형태다. 가로로 13만 광년쯤 뻗어있고, 세로로는 2천 광년 가량 뻗어있다. 우리 태양계의 태양은 45억 6천 만 년 전에 탄생했는데 태양계는 우리 은하 원반의 중간면 가깝게 놓여있다. 또 태양은 초속 약 220km의 속력으로 은하를 공전한다. 이러한 우리 은하와 태양계의 구조는 마지막에 암흑 물질과 더해져 공룡을 멸종시킨 유성체에 관한 이야기를 할 때 중요한 단서로 작용한다.

단서3. 공룡을 죽인 범인

그렇다면 공룡을 멸종시킨 유성체, 혜성은 어떤 물질로 만들어지고 어디서 오는 걸까? 혜성은 주로 얼음, 먼지로 이뤄져 있고 공전 주기에 따른 주기성을 갖는다. 주기성에 따라 혜성은 단주기 혜성과 장주기 혜성으로 나뉘는데 그 경계는 보통 200년이다. 단주기 혜성은 해왕성 너머에 위치한 영역에, 이제는 행성 지위가 박탈된 명왕성이 놓여있는 카이퍼대**에서 온다.

반면 우리가 주목할 혜성, 공룡을 멸종시킨 장주기 혜성은 태양계에서 머나먼 가장자리에 위치한 오르트 구름에서 탄생한다. 오르트 구름은 얼음덩어리 미행성체들이 거대한 구형으로 구름처럼 분포된 구조인데 거리가 태양으로부터 매우 멀어 태양의 중력이 매우 약하게 작용하고 있다. 언뜻 머리에 그려지지 않는다면 태양계를 감싸고 있는 엄청나게 커다란 구 모양의 띠라고 생각하면 된다.

이렇게 멀리 떨어져 있는 오르트 구름에서 탄생한 장주기 혜성은 태양의 중력이 매우 약하므로 작은 교란만 일어나도 천체가 궤도를 벗어나 태양계 안쪽으로 들어와 지구를 향해 돌진할 수 있다. 이때 주목할 만한 점은 장주기 혜성이 주기적으로 지구로 날아온다는 사실이다. 그래서 과학자들이 의문점을 가진 부분은 태양계에서 멀리 떨어진 오르트 구름에서 탄생하는 장주기 혜성이 왜 지구에 주기성을 갖고 오느냐 하는 것이다.

단서4. DDDM이 일으키는 힘
 

공룡의 멸종, 암흑 물질 그리고 혜성이라는 세 가지 퍼즐을 가지고 큰 그림을 맞추게 되면 ‘이중 원반 암흑 물질(Double Disc Dark Matter, 아래 DDDM)’이라는 개념이 탄생하게 된다.

DDDM 모형을 설명하기 전에 먼저 세 퍼즐을 갖고 대략적인 큰 그림을 그려보자면 지구에는 주기적으로 날아오는 혜성이 존재한다. 그리고 그 혜성은 위에서 언급했듯이 약한 중력 때문에 조그마한 움직임에도 쉽게 날아가 버릴 수 있다. 이때, 이 작은 움직임을 일으키는 데 관여하는 것이 바로 암흑 물질이다. 그리고 이러한 암흑 물질의 섭동***을 설명하기 위한 이론이 바로 DDDM 모형이다. DDDM 모형에 대해 박 교수는 “우리가 알고 있는 물질이 한 종류가 아닌 것처럼 암흑 물질도 한 종류 이상일 것”이라며 “암흑 물질 중에서 일부는 자기들끼리 상호작용해 에너지를 내며 모양이 압축돼 디스크 모양을 만들 수 있다”고 전했다.

이렇게 만들어진 암흑 물질 원반은 보통물질로 이뤄진 원반보다 밀도가 더 높으므로 더 얇게 압축돼 보통물질이 이루는 우리 은하의 원반보다 얇아지게 된다. 두 원반을 나란히 놓으면 밀도 차이에 의해 암흑 물질 원반은 우리 은하 원반 안에 담기는 형태가 된다. 이것이 바로 DDDM 모형이다. 박 교수는 “과학자들은 처음에 암흑 물질은 디스크 구조를 만들지 않고 구 모양으로 퍼져있다고 생각했다”며 “하지만 만약 암흑 물질들이 상호작용한다면 서로 뭉쳐져서 디스크 모양을 만들 수 있다”고 말했다.

DDDM 모형(Double Disc Dark Matter)

이러한 DDDM 모형으로 지구로 날아오는 혜성에 대한 주기성을 계산해보면 3천 만 년에서 3천500만 년의 주기성이 나오는데 이는 보통물질로만 이뤄진 원반 모형에서보다 주기성이 더 잘 들어맞는다. 이 주기성에 초점을 맞춰보자면 태양계가 은하 평면을 통과했던 시점, 즉 섭동이 일어날 수 있는 사건과 기록으로 보고된 크레이터 생성 시점들을 비교하면 3천200만 년이라는 주기가 나온다. 또 6천600만 년 전 공룡을 멸종시킨 혜성의 시기와도 일치한다. 만약 이 주기가 맞는다면 앞으로 약 300만 년 내에는 공룡을 멸종시켰던 거대하고 끔찍한 충돌 사건이 지구에 일어날 확률은 없을 것이다.

퍼즐의 완성!

모든 퍼즐의 조각은 맞춰졌다. 위에서 밝혔듯 태양계는 우리 은하의 중심을 기준으로 공전한다. 또 공전을 하며 태양계는 수직으로도 사인곡선을 그리며 움직인다. 태양계가 우리 은하를 공전하며 수직으로 움직일 때 DDDM 모형에서 제시한 암흑 물질 원반도 함께 통과하게 된다. 태양계가 중력이 강한 암흑 물질 원반을 통과하게 되면 미세하지만 오르트 구름의 천체들에게 영향을 미칠 만한 힘을 가하게 되고 이러한 섭동으로 흔들린 천체는 태양계 밖으로 벗어나거나 혹은 지구를 향해 돌진할 수 있다. 이에 대해 박 교수는 “태양계는 은하를 공전하면서 밀도가 높은 곳과 약한 곳 모두를 통과 한다”며 “밀도가 높은 곳을 지날 때 발생한 섭동으로 혜성의 생성률과 방향이 달라질 수 있다”고 말했다.

 DDDM 이론은 2013년 유명 물리학 저널 『Physical Review Letters』에 발표된 「Dark-Disk Universe」에서 처음 등장했다. 박 교수는 “아직 몇 가지의 물질로 이뤄졌는지도 모르는 암흑 물질에 대해 ‘암흑 물질이 어떤 모양일까?’에 대한 연구가 활발히 진행 중인데 DDDM 모형은 그 중 하나”라며 “암흑 물질이 많은 우주와 적은 우주에서 탄생한 은하의 모습은 완전히 다르고 또 우주의 팽창률 또한 다른데 이를 보면 우주에는 암흑 물질이 확실히 존재한다는 것을 알 수 있다”고 말했다. 덧붙여 박 교수는 “직접탐사나 실험을 통해 앞으로 암흑 물질의 정체를 밝히는 것이 21세기 물리학의 중요한 화두”라고 전했다.
 

공룡이 멸종한 이유에 대해서는 그동안 많은 연구가 있었다. 그리고 그 결과 과학계는 유성체 때문이라는 결과에 도달했다. 『암흑 물질과 공룡』은 과거에 살았던 공룡의 멸종과 현재까지도 아직 미지의 영역인 암흑 물질에 지질학, 천문학, 물리학, 생물학이라는 소스를 곁들여 흥미로운 이론을 제시한다. 이는 과거의 많은 과학자가 연구해 축적한 자료와 미지의 세계에 대한 끊임없는 동경이 합쳐져 만들어 낸 결과라는 점에서 의미가 있다.

과거 지구에서만 특별했던 공룡의 멸종이라는 일이 우주의 비밀인 암흑 물질 때문일 수 있다는 생각의 전환이 가져온 이 연구에 대해 과학계는 앞으로의 새로운 연구와 향방에 주목하고 있다.

*TNT : 큰 위력을 보인 고성능 폭약. 일반적으로 폭발 에너지를 표시할 때 환산하여 사용.
**카이퍼대 : 태양계의 해왕성 궤도보다 바깥쪽의 황도면 부근에 있는 천체가 밀집한 구멍이 뚫린 원반형의 영역.
***섭동 : 행성의 궤도가 다른 천체의 힘에 의해 정상적인 타원을 벗어나는 현상.

함예솔 기자
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