누군가의 사망 시점은 어떻게 정확히 짚어낼 수 있을까?
생명체가 죽으면 감출 수 없는 방사성 신호가 자연의 시계처럼 작동하기 시작한다. 이 과학적 발견 덕분에 우리는 수많은 자연의 수수께끼를 풀 수 있었다.
윌라드 라비는 사체나 오물 등에 그 물질이 엄청나게 많이 존재할 것이라 확신했다.
1940년대 중반, 미국 화학자 윌라드 리비의 연구 목표는 방사성 탄소인 '탄소-14'를 자연계에서 발견하는 것이었다. 그는 탄소-14가 존재한다면, 생명이 다한 식물과 동물에 이 원소가 서서히 붕괴되는 흔적이 남을 것이라고 생각했다. 따라서 죽은 동식물에 남아 있는 탄소-14의 양을 측정하면 사망 시점을 추정할 수 있으리라는 것이 그의 가설이었다.
이를 위해 리비는 야생에서 탄소-14가 자신이 예상한 농도만큼 존재한다는 사실을 입증해야 했다. 당시까지 탄소-14는 실험실에서 합성된 사례만 있었을 뿐, 자연 상태에서는 검출된 적이 없었다. 리비는 생물이 탄소-14를 배설물에 축적할 것이라고 추론하고 볼티모어 하수 처리장을 주목했다. 결국 그는 자신이 찾던 것을 발견했다.
리비는 처음에는 상상조차 하지 못했지만, '방사성 탄소로 사물의 연대를 측정할 수 있다'는 아이디어는 이후 고고학, 범죄 수사, 환경 연구 등 수많은 분야로 확장되었다. 20세기 중반 이후 방사성 탄소 연대측정법은 고대 유물의 연대를 밝혀내고, 실종 사건 해결에 기여했으며, 상아 밀매업자들을 법정에 세우는 데 활용되었다. 또 과학자들이 지구 기후의 복잡성을 이해하는 데에도 큰 역할을 했다. 방사성 탄소 연대측정은 오늘날 우리가 사는 세계를 이해하는 핵심 도구 중 하나다.
그렇다면 탄소-14는 어떻게 만들어질까? 리비는 우주선(우주에서 날아오는 고에너지 입자)이 지구 대기의 질소 원자와 충돌해 그 구조를 바꾸면서 탄소-14가 생성된다는 사실을 알고 있었다. 이렇게 만들어진 탄소-14는 곧바로 산소와 결합해 방사성 이산화탄소(CO2)를 형성한다.
지상에서 자라는 식물은 성장 과정에서 이 방사성 이산화탄소를 흡수하고, 동물(인간 포함)도 먹이를 통해 이를 섭취한다. 따라서 살아 있는 동안에는 탄소-14가 계속 보충되지만, 생명이 다하면 공급이 멈춘다. 이후 남아 있는 탄소-14는 일정 속도로 붕괴하기 때문에, 그 양을 측정하면 사망 시점이나 연대를 알 수 있다. 즉, 방사성 탄소의 붕괴는 생명이 멈춘 순간부터 작동하는 '자연의 시계'다.
리비는 볼티모어 하수의 메탄가스에서 탄소-14를 발견한 뒤, 다양한 물질의 연대를 측정했다. 그는 사해사본의 린넨 포장지에서부터 약 4000년 전 이집트 왕 세소스트리스 3세의 무덤에서 발견된 배 조각까지 분석했다. 리비는 훗날 "우주선이 인류의 역사를 기록할 수 있다니, 당시에는 너무 황당한 생각이라 아무에게도 말할 수 없었다"고 회상했다. 그러나 증거를 확보하자 그는 연구를 공개했고, 1960년 노벨 화학상을 수상했다.
리비가 개발한 방사성 탄소 연대측정법은 최대 5만 년 전 유기물까지 적용할 수 있다. 이보다 오래된 경우에는 탄소-14가 거의 남아 있지 않아 측정이 불가능하다. 그럼에도 이 기술은 오늘날 인류 역사 연구에 중추적인 역할을 하고 있다.
옥스퍼드 방사성 탄소 가속기 연구소의 레이첼 우드 연구원은 "이 기법은 사물의 연대 순서를 정리하고, 지역 간 비교와 변화 속도 이해를 가능하게 해주기 때문에 매우 중요하다"고 말한다. 그녀는 뼈, 숯, 조개껍데기, 씨앗, 머리카락, 면, 양피지, 도자기 등 다양한 시료를 대상으로 연구하고 있으며, 때로는 화석화된 박쥐의 소변 같은 특이한 시료도 분석한다.
우드의 연구실은 '가속기 질량분석기'를 활용해 시료 속 탄소-14 원자를 직접 정량화한다. 리비가 방출되는 방사선을 측정해 간접적으로 추정했던 것과 달리, 이 방법은 극소량의 시료(경우에 따라 1mg 단위)로도 연대측정이 가능하다. 시료에서 오염 물질을 제거하는 데 시간이 걸리지만, 분석이 완료되면 즉시 연대가 계산된다. 우드는 "결과를 즉시 확인할 수 있다는 점이 정말 흥미롭다"고 말했다.
방사성 탄소 연대측정은 역사적 논쟁도 해결했다. 1823년 웨일스에서 신학자이자 지질학자인 윌리엄 버클랜드가 발견한 인간 유골은 2000년 이하의 것으로 여겨졌지만, 방사성 탄소 연대측정 결과 실제로는 약 3만3000~3만4000년 전 것으로 밝혀졌다. 이는 영국에서 발견된 가장 오래된 매장 인류 유골이었다.
현대의 사건 해결에도 이 기법이 활용된다. 1975년 뉴욕에서 실종된 소녀 로라 앤 오말리의 유골은 수십 년 후 캘리포니아에서 발견되었고, 방사성 탄소 연대측정을 통해 그의 사망 시기와 일치한다는 사실이 확인됐다. 이후 DNA 분석으로 최종 신원이 밝혀졌다.
법의학적 분석은 종종 방사성 탄소 연대측정법 중 "폭탄 충격파" 방실을 많이 사용한다. 이는 1950년대와 1960년대에 수백 차례에 걸쳐 진행된 대기권 핵무기 실험 덕분에 가능해진 방법이다.
당시 핵실험으로 대량의 탄소-14가 대기 중으로 방출되었고, 인위적으로 높아진 이 수치는 이후 줄곧 감소해 왔다. 따라서 탄소-14 측정값을 이 하향 곡선과 비교하면, 20세기 중반 이후의 물질들을 매우 정밀하게 연대측정할 수 있다. 경우에 따라서는 1년 정도의 오차 범위 내에서 측정 가능하다.
워싱턴대 야생동물 생물학자인 샘 와서는 "그에 필적할 만한 다른 기법은 알지 못한다"며 "매우 유용한 방법"이라고 말했다.
와서는 불법 야생동물 거래를 단속하기 위한 노력의 일환으로 상아 샘플의 방사성 탄소 연대측정 결과를 분석해왔다. 이러한 분석은 해당 코끼리들이 1989년 상아 판매 금지 조치 이전에 죽었는지 이후에 죽었는지를 확인할 수 있게 해준다.
이러한 분석에서 나온 증거로 수감된 인물 중 한 명이 2014년 토고에서 유죄 판결을 받은 에두오지 에밀 은부케다. DNA 검사로 그가 밀수한 상아의 지리적 원산지가 밝혀진 반면, 방사성 탄소 연대측정법은 코끼리가 정확히 언제 밀렵당했는지를 보여주었다. 미국 국무부는 이후 이 두 가지 증거가 "은부케를 법의 심판대에 세우는 데 결정적 역할을 한 증거"라고 밝혔다.
동일한 기법으로 예술 작품이 위작이라는 사실이 밝혀진 적도 있다. 한 위조범이 1866년 작품이라고 주장한 마을 풍경화가 그 예다. 방사성 탄소 연대측정 결과, 이 그림은 실제로 1980년대에 그려졌으며 인위적으로 노화 처리된 것으로 확인되었다.
방사성 탄소 연대측정법은 과학계에서 화석 연료 배출이 지구 기후에 미치는 영향을 이해하는 데도 도움을 주었다. 예를 들어 빙하와 고대 생태계 연구는 방사성 탄소 연대측정 기술 덕분에 훨씬 더 정확해졌다.
이 연구는 기후변화에 관한 정부간 협의체(IPCC)의 보고서의 초석이 되었으며, IPCC는 기후변화 정보 확산에 기여한 공로로 2007년 앨 고어 전 미국 부통령과 함께 노벨 평화상을 수상했다.
팀 히튼 리즈대 응용통계학과 교수는 "(방사성 탄소 연대측정이) 기후 모델을 활용해 미래 기후가 어떻게 변할지 예측하려는 사람들에게도 매우 유용하다"고 말했다. 과학자들은 방사성 탄소 기록을 통해 지구의 기후가 시간에 따라 어떻게 변화했는지 규명하고, 그 결과를 기후 모델과 대조해 모델의 정확성을 검증할 수 있다.
하지만 우리가 사는 세상에서는 또 다른 시계가 돌아가고 있다. 화석 연료다. 화석 연료는 다량의 탄소를 함유하고 있지만, 그 안에 탄소-14는 전혀 없다. 석탄, 천연가스, 석유가 된 생물체들은 너무 오래전에 죽었기 때문에 한때 그들이 지녔던 탄소-14는 이미 붕괴된 것이다. 즉, 화석 연료에서 나오는 탄소 배출이 오늘날 지구 대기의 탄소-14 농도를 희석시키고 있다는 뜻이다. 이는 결국 생물체에 축적되는 방사성 탄소의 양에도 직접적인 영향을 미친다.
헤더 그레이븐 런던 임페리얼 칼리지 기후물리학 교수는 향후 1세기 동안 탄소 배출량이 극도로 높아지는 최악의 시나리오에서는 방사성 탄소 연대측정법의 정확성이 무너질 수 있다고 말했다.
그는 "생성된 지 얼마 안 된 물질도 어쩌면 2000년 된 물질과 동일한 (방사성 탄소) 구성을 가질 것"이라고 말했다. 방사성 탄소 연대측정법으로는 이 둘의 차이를 분별할 수 없을 것이다.
레이첼 우드는 이러한 문제들이 당장은 발생하지 않을 것이라고 전망한다. 하지만 폴라 라이머 벨파스트 퀸즈대 명예교수는 화석 연료의 탄소 배출이 방사성 탄소 연대측정에 "억제 효과를 미친다"고 생각하며, 궁극적으로 그 정확성을 위협한다고 했다.
그는 수천 년에 걸친 대기 중 탄소-14 농도의 변화를 밝혀내기 위해, 예를 들어 나무 나이테에서 발견되는 방사성 탄소의 정밀한 측정을 통해 방사성 탄소 연대측정법의 정확도를 높이는 데 수년간 노력해왔다.
현재 기술로는 방사성 탄소 수준을 극도로 정밀하게 보여주는 곡선을 약 1만4천 년 전까지 확인할 수 있다고 한다. 하지만 화석 연료의 탄소 배출이 계속된다면, 오늘날 방사성 탄소 연대측정 기술의 놀라운 정밀성이 결국 무너질지도 모른다.
*이 콘텐츠는 '노벨상 아웃리치'와 BBC의 공동 제작으로 만들어졌습니다.
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