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빅뱅 초기 원시 분자 발견

3000광년 떨어진 성운서 HeH+ 관측

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태초의 우주는 밀도가 매우 높았고 그런 만큼 매우 뜨거웠을 것이다.

이런 상태에서 빅뱅(big bang), 즉 대폭발이 일어나 우주가 팽창했고, 지금의 우주가 되었다는 것이 현대 우주론의 정설이다.

과학자들은 이 빅뱅의 순간 원자가 탄생하고, 또 원자들이 결합해 분자가 만들어졌다고 보고 있다. 그리고 이 시기 수소 이온과 헬륨으로 이루어진 화합물인 수소 이온화 헬륨(Helium hydride ion, HeH+)이 중요한 역할을 한 것으로 믿고 있었다.

과학자들이 ‘NGC 7027’라 불리는 행성모양의 성운(사진) 속에서 최초의 우주 생성 초기의 분자 이온화 헬륨(HeH+)을 발견했다. 향후 우주화학 연구의  ⓒWikipedia

과학자들이 ‘NGC 7027’라 불리는 행성모양의 성운(사진) 속에서 최초의 우주 생성 초기의 분자 이온화 헬륨(HeH+)을 발견했다. 향후 우주화학 연구의 분기점이 될 것으로 보인다. ⓒWikipedia

공중천문대 SOFIA 통해 HeH+ 확인 

그리고 최근 이 믿음이 실제 사실로 확인되고 있다.

18일 ‘사이언스’, ‘가디언’ 지 등 주요 언론들은 독일 막스플랑크연구소외 쾰른 대학교, 미 존스 홉킨스 대학 과학자들이 최초로 우주생성 초기 원시 분자를 발견했다고 보도했다.

이 우주 분자는 수소와 헬륨으로 이루어진 화합물 수소이온화헬륨(helium hydride ion, HeH+)이다.

연구팀은 논문을 통해 미 항공우주국(NASA)의 공중천문대인 소피아 성층권 자외선 관측소(SOFIA·airborne Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy)을 통해 지구로부터 약 3000광년 떨어져 있는 곳에서 HeH+의 존재를 확인할 수 있었다고 말했다.

측정 결과 이 분자는 대폭발(big bang) 이후 젊은 우주의 온도가 4000K(3726.85℃)로 낮아진 상태에서 생성됐다고 설명했다.

수소와 같은 가벼운 원소의 이온들이 전자와 협력해 중성 원자(neutral atoms)를 만들었으며, 중성 원자들로 구성된 원시가스 속에서 중성 헬륨(neutral helium)이 수소 이온에 반응을 보이면서 우주 최초의 화합물인 HeH+가 탄생했다는 것.

공동연구팀은 HeH+ 생성이 이온화 전위(ionization potential, 어떤 특정한 원자가 1개의 전자를 잃어버리는 데 필요한 에너지) 과정의 역순으로 이루어졌다고 설명했다.

관련 논문은 17일(현지 시간) ‘네이처’ 지에 게재됐다. 논문 제목은 ‘Astrophysical detection of the helium hydride ion HeH+’이다.

HeH+에 존재 가능성이 처음 거론된 때는 1925년이다. 당시 화학자들은 연구실에 가상의 빅뱅 환경을 조성하고 HeH+ 합성에 성공했다.

45년이 지난 1970년 이론물리학자들은 HeH+가 현재 성운이나 태양과 같은 소멸하는 별들로부터 분출한 가스 구름 속에 실제로 존재하고 있다고 주장한 바 있다. 그러나 이론에 머물렀을 뿐 지난 수십 년 간 HeH+의 존재를 확인하지 못하고 있었다.

우주 화학 역사 써나갈 새로운 분기점 

수차례에 걸쳐 관측에 실패하면서 우주 분자를 확인하는 일이 불가능하다는 주장까지 나오고 있었다.

이런 상황에서 우주화학자(astrochemists) 들이 빅뱅 현장에서 발산하는 빛의 특성 주파수(characteristic frequencies)에 관심을 갖기 시작했다.

특히 지구 대기에 막혀 보이지 않았던 특정한 파장(진동수)의 빛 스펙트럼 선(spectral line)관측을 시도했고, SOFIA 외곽에 설치한 원적외선 분광기(far-infrared spectrometer)를 통해 HeH+의 존재를 확인할 수 있었다.

HeH+를 발견한 곳은 ‘NGC 7027’라 불리는 행성모양의 성운(planetary nebula)으로 지구로부터 약 3000광년 떨어져 있는 곳이다.

이번 연구 결과는 빅뱅 초기의 분자를 확인한 최초의 사례다. 우주 생성 당시 비활성화된 헬륨을 기반으로 지금의 과학지식으로는 이해하기 힘든 분자가 생성되고 있다는 사실을 말해주고 있다.

연구진은 “현재의 관점에서 HeH+는 중요하지 않겠지만, 과거 우주 역사의 관점에서 보았을 때 HeH+는 우주가 어떻게 생성됐는지 화학의 역사를 써나갈 수 있는 중요한 단초가 되고 있다”고 말했다.

연구를 이끈 막스플랑크 연구소의 롤프 귀스턴(Rolf Güsten) 박사는 “HeH+ 관측에 있어 오류는 없었으며, 우주의 분자 생성에 대한 수수께끼를 모두 해소할 수 있었다”고 말했다.

이번 연구를 관심 있게 지켜본 브뤼셀 자유대학의 HeH+ 전문가 제롬 로로(Jérôme Loreau) 교수는 “이번에 발견한 HeH+가 대폭발(big bang) 후 약 38만 년이 지난 다음 생성된 우주 최초의 분자”라고 말했다.

그는 또 “이번 관측 결과에 비추어 또 다른 600~3000광년 떨어진 곳에서 HeH+ 관측이 가능해졌다”며, 불가능한 것처럼 보였던 일이 성취된 데 대해 크게 감격했다.

조지아 대학의 HeH+ 전문가 필립 스탠실(Phillip Stancil) 교수는 “HeH+ 외에 1~2개 정도의 우주 분자를 발견할 필요가 있다”고 말했다. 추가 발견을 통해 우주 생성 과정에서 화학반응이 어떻게 일어났는지 확인할 수 있다는 것.

과학자들은 지금까지 발견된 118개 원자에서 1억 종이 넘는 분자가 만들어졌다고 보고 있다. 이에 따라 초기 우주 생성 과정에서 화학적 반응이 어떻게 일어나고 있었는지 다양한 이론을 전개하고 있었다.

이번 논문과 관련, ‘사이언스’ 지는 HeH+ 발견이 130억 년으로 추정되는 오랜 기간에 걸쳐 우주 속에서 어떤 화학반응이 일어나고 있었는지 그 기원을 설명할 수 있는 중요한 분기점이 될 것으로 논평했다.

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