행성의 나이를 측정하는 법

행성의 나이를 추적해 보면 고체 행성의 역사를 알 수 있다. 아폴로 우주인들이 달에서 암석 표본을 가져왔을 때, 지구 암석의 나이를 측정하기 위해 개발했던 기술을 적용했다. 한편, 달, 화성, 그리고 소행성인 베스타에서 지구로 운석이 떨어졌기 때문에 확인 또한 가능하다. 

 

암석의 나이는 자연 방사능 붕괴라는 성질을 이용해서 측정해 볼 수 있다. 20세기 초에 과학자들은 원자핵이 불안정하기 때문에 쪼개지거나 더 작은 핵으로 붕괴될 수 있다는 것을 알아냈다. 방사능 붕괴 과정에서 전자 같은 입자나 감마선 같은 형태의 복사가 방출될 수 있다. 

 

어떤 핵이 방사능 붕괴를 언제 일으킬지 아는 것은 사실상 불가능하다. 이는 주사위를 던졌을 때 어떤 숫자가 나타날지 예측하는 것만큼이나 무작위적으로 일어나는 것이다. 그러나 확률적으로 주사위 2개를 수도 없이 던졌을 때 8이나 12가 나올 경우는 계산할 수 있다. 이처럼 한 종류의 방사능 원소가 셀 수 없이 많이 있으면 반으로 줄어드는 반감기를 측정할 수 있다. 반감기는 원소가 방사능 붕괴를 통해 원래의 원소와 부산물의 양이 50:50으로 되는 시간을 의미한다. 

 

어떤 특별한 핵들은 반감기보다 더 짧은 시간이나 긴 시간 동안 붕괴될 수 있지만 표본이 아주 크면 1번의 반감기가 지난 후에 정확하게 절반의 양이 붕괴된다. 그 후 남아 있는 물질은 그 반으로 줄어들고, 또다시 반의 반으로 줄어들게 된다. 따라서 반감기가 100년인 순수 방사능 물질이 1그램 있다면, 200년 후에는 1/4그램만 남게 되고, 300년 후에 1/8그램만 남게 된다. 

 

이를 통해 알 수 있듯이 방사능 원소는 정확한 원자 시계의 역할을 할 수 있다. 방사능 붕괴가 일어나서 생긴 핵들이 존재한다는 것은 붕괴가 일어났다는 증거가 되기 때문이다. 암석에 남아 있는 방사능 원소의 양을 원래의 원소 양과 비교해 보면, 얼마나 오랜 시간 동안 방사능 붕괴가 일어났는지와 암석이 얼마나 오래전에 생성되었는지 알아낼 수 있다. 암석의 나이를 결정할 때 사용되는 모원자는 사마륨-147, 루비듐-87, 토륨-232, 우라늄-238, 칼륨-40 등이 있고, 자원자는 네오디뮴, 스트론튬, 납-208, 납-206, 아르곤-40이 있다. 

 

 

이와 같은 방법은 방사능 원소와 붕괴된 후의 산물이 암석 표본의 위치와 같을 때에만 적용될 수 있다. 따라서 방사능의 나이는 암석이 다른 영향을 받지 않고 방사능 원소와 붕괴 산물이 아직 각 광물 입자에 남아 있는 시간이 된다. 대부분의 경우, 암석이 용융 상태에서 냉각된 뒤 지금까지 이른 시간이라고 볼 수 있다. 측정 결과, 달에서 가져온 표본의 나이는 약 33억 년에서 44억 년 사이에 해당되는 것으로 보고되었다. 이는 행성의 나이를 결정할 때도 사용할 수 있는데, 그 결과 지구와 달이 형성된 시기가 유사하다는 것을 알 수 있다.