November 14,2018

“지구 물 분자 100개 중 1~2개는 성운(星雲)서 온 것”

미 연구팀, 소행성 원천설 보완…지구 수소 대양 7~8개분 보유

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지구의 물은 어디서 온 것일까?

지금까지는 지구의 대양을 채우고 있는 물과 소행성에서 발견된 물의 중수소(듀테륨·D) 비율이 비슷해 소행성이 그 원천일 것이라는 학설이 지배적이었다.

수소(H)는 양성자 1개를 원자핵으로 갖는데, 약 7천개 중 1개꼴로 양성자에 더해 중성자까지 갖는 중수소의 비율(D/H)이 약 140ppm으로 서로 비슷하다는 것이 주요 근거가 됐다.

하지만 애리조나주립대학 지구·우주탐사대학원(SESE)의 스티븐 데쉬 교수가 이끄는 연구팀은 태양과 행성을 만든 가스와 먼지로 된 태양계 성운(星雲)에서 물의 근원을 찾는 새로운 연구결과를 미국지구물리학연맹이 발행하는 ‘지구물리연구저널(Journal of Geophysical Research:Planet)’ 최신호에 밝혔다.

국제우주정거장에서 찍은 지구의 대양  ⓒ NASA

국제우주정거장에서 찍은 지구의 대양 ⓒ NASA

물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이뤄져 있는데, 태양계 성운에 무궁무진한 수소가 지구를 구성하고 있는 물질과 결합해 지구 바닷물의 원천이 될 수 있다는 것이다.

연구팀은 최근 소행성 원천설의 근간이 돼온 지구 대양의 D/H 비율이 행성 전체의 D/H 비율을 대변하는 것은 아니라는 연구결과에 주목했다.

이 연구에서는 지구 핵과 맨틀의 수소를 분석한 결과, 듀테륨이 현저히 적게 나타났으며 태양 성운에서 온 헬륨과 네온 등 불활성기체가 맨틀에서도 발견됐다.

연구팀은 이를 설명하기 위해 새로운 이론모델을 제시했다.

수십억년 전 태양계 성운이 태양을 휘감고, 소행성은 충돌을 거듭하며 행성 물질을 끌어모아 팽창하면서 행성으로 발전하는 과정을 밟는다. 지구도 물을 잔뜩 머금은 소행성에서 이런 과정을 통해 행성이 된다.

행성의 배아(胚芽)인 소행성의 표면은 충돌의 충격으로 거대한 마그마 바다가 되고 성운의 수소와 불활성기체가 끌려와 초기 대기를 구성한다.

그러나 성운의 수소는 원래 소행성에 있던 수소보다 듀테륨이 적고 가벼워 마그마 바다의 철에 용해되고, 동위원소 분별 작용에 의해 수소는 철에 붙어 핵으로 옮겨가고 듀테룸만 마그마에 남아있다가 식어 맨틀을 구성하게 된다.

이 모델을 통해 불활성기체가 맨틀에서 발견되고 핵의 D/H 비율이 맨틀이나 대양보다 낮은 점이 설명된다.

논문 주저자인 우쥔 SESE 부교수는 이 모델을 통해 성운 수소의 기여분을 분석한 결과, “지구의 물 분자 100개당 1~2개는 태양계 성운에서 온 것으로 나타났다”고 했다.

그러면서 지구는 대양 7~8개분의 수소를 갖고있으며, 지표면의 대양에 녹아있는 것 이외에 맨틀에 대양 2개분, 핵에 대양 4~5개분의 수소를 숨겨놓고 있다고 했다.

연구팀은 이번 연구가 다른 행성도 항성의 성운을 통해 자체적으로 물을 확보할 수 있다는 점을 시사해주는 것이라면서 다른 항성계와 행성의 진화와 생명체 존재 가능성에 대한 새로운 시각을 제공하는 것이라고 강조했다.

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