화성 맨틀, 45억 년 전 충돌 흔적을 보여주다

지구와 화성 같은 암석 행성의 내부는 흔히 교과서 그림처럼 매끈하게 층을 이룬 것으로 그려진다. 지각·맨틀·핵이 차곡차곡 쌓인 모습은 미국에서 대중적으로 먹는 디저트 ‘밀리어네어 쇼트브레드(비스킷·카라멜·초콜릿 층으로 된 과자)’를 떠올리게 한다. 하지만 최신 연구에 따르면 화성의 속살은 훨씬 더 거칠고 어수선하다. 단정한 케이크가 아니라 덩어리가 불규칙하게 섞인 ‘록키로드 브라우니’에 가깝다.

인사이트 지진파가 드러낸 고대 파편

국제 공동연구팀은 NASA 인사이트(InSight) 탐사선의 지진파 자료를 분석해 화성 맨틀 깊은 곳에서 최대 4km 크기의 불균질 조각을 확인했다. 연구 결과는 과학 저널 사이언스(Science)에 게재됐다. 이는 화성이 막 태어나던 시절 행성 크기의 천체와 충돌하면서 생긴 파편이 맨틀 속에 남아 있는 흔적이다.

화성은 약 45억 년 전 태양 주위를 돌던 먼지와 암석이 뭉쳐 형성됐으며, 완성 이후에도 거대한 충돌을 피하지 못했다. 지구의 달 역시 이런 충돌로 생겼다고 알려져 있다. 연구 책임자 콘스탄티노스 카랄람부스(임페리얼 칼리지 런던)는 “충돌은 화성을 거대한 마그마 바다로 녹였고, 냉각 과정에서 성분이 다른 조각들이 맨틀에 봉인됐다”고 말했다.

화성은 이후 빠르게 식어 외피가 ‘정지된 뚜껑(stagnant lid)’처럼 굳으면서 판 구조 운동이 멈췄다. 내부는 강하게 뒤섞이지 못한 채 원시 태양계의 혼란이 고스란히 보존됐다. 카랄람부스는 “이 과정은 형성 후 첫 1억 년 안에 대부분 일어났지만, 45억 년이 지난 지금도 그 흔적이 감지된다”고 강조했다.

연구진은 인사이트가 기록한 8건의 화성 지진을 분석했다. 이 중 두 건은 지름 150m 크레이터를 만든 운석 충돌에서 비롯됐다. 지진파가 맨틀을 지날 때 고주파 신호가 지연되고 간섭이 나타나, 맨틀 내부에 다양한 성분의 조각이 존재함을 보여줬다.

충돌 에너지로 생긴 다양한 조각, 프랙털 패턴

조각 분포는 ‘프랙털’ 패턴을 띠었다. 큰 조각 몇 개와 수많은 작은 조각이 함께 존재하는 양상으로, 유리잔이 깨져 산산이 흩어지는 모습과 닮았다. 토머스 파이크 교수(임페리얼 칼리지 런던)는 “충돌의 에너지가 물체의 강도를 압도할 때 이런 패턴이 만들어진다”며 “수십억 년이 지난 지금까지도 그 흔적이 보존돼 있다는 사실이 놀랍다”고 설명했다.

지구에서는 판 구조 운동이 지각과 맨틀을 재활용해 이런 흔적이 사라진다. 반면 화성은 굳은 외피 아래 내부가 봉인돼 원시 태양계의 폭력적 기억을 지금도 간직한다. 이번 발견은 금성과 수성 같은 ‘정지 행성(stagnant worlds)’ 내부가 어떤 모습일지를 짐작하게 한다.

NASA JPL의 마크 패닝은 “인사이트의 지진 데이터는 여전히 화성과 암석 행성의 기원을 새롭게 이해하도록 이끌고 있다”며 “이번 연구는 화성이 얼마나 오래 초기 흔적을 보존해왔는지를 잘 보여준다”고 말했다.

손동민 기자/ hello@sciencewave.kr

참조 논문: Seismic evidence for a highly heterogeneous Martian mantle, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adk4292

자료: Science / Imperial College London