물 한 잔에 45억년의 시간이 담겨 있다

물 형성의 우주여행 경로 밝혀

우주에 물이 어떻게 형성되었으며, 어떤 경로를 거쳐 지구 같은 행성에 존재하게 되었는지는 잘 알지 못했다. 그러나 지금 과학자들은 우주에서 물이 여행하는 경로를 훨씬 구체적으로 파악하게 됐다.

네덜란드 라이덴대학교의 천문학자 에빈 판 디슈호크(Ewine van Dishoeck) 박사는 허셜(Herschel) 우주 천문대가 관측한 자료를 바탕으로 성간 구름(interstellar clouds)에서 발생한 물의 여정을 개괄적으로 설명하는 논문을 발표했다.

천문학 & 천체물리학(Astronomy & Astrophysics) 4월호 저널에 발표한 이번 논문은 현존하는 지식을 요약하고 잠재적으로 거주할 수 있는 새로운 세계에서의 물의 기원에 대한 새로운 정보를 제공한다.

과학자들은 “앞으로 20년 동안 우주에서의 물의 여행에 대한 참고서가 될 것”이라고 예상했다.

성간 우주에서 물이 어떻게 그리고 어디서 형성되고 그것이 어떻게 마침내 지구 같은 행성에 이르게 되는지는 10년 전에는 잘 알려지지 않았다. 그 이유 중 하나는 지상 망원경으로 관측한 데이터는 지구 대기의 수증기에 영향을 받기 때문이다.

허셜 원적외선 우주 천문대가 수집한 데이터 분석

그래서 2009년 유럽우주국(ESA)은 원적외선 우주망원경 허셜을 발사했다. 허셜의 주요 목표 중 하나는 우주에 있는 물을 연구하는 것이었다. 허셜은 2013년까지 작동했다.

허셜 우주 천문대에서 특히 중요한 것은 네덜란드가 주도해서 만든 ‘분자 사냥꾼’으로 알려진 HIFI 장비이다. 최근 몇 년 동안 허셜이 보내온 물 데이터를 바탕으로 수십 편의 과학 논문이 나왔다. 이러한 연구 결과는 우주의 물의 여행에 대한 새로운 통찰력을 제공한다.

이 새로운 연구는 지금까지 주목을 덜 받았던 중간 단계를 포함하여 항성 생성 과정 전반에 걸친 물의 이동 경로를 설명한다.

성간 구름에서 시작하는 물의 여행. 왼쪽 위부터 오른쪽 아래으로, 차가운 성간 구름에 있는 물, 젊은 별, 초기의 행성 원반, 혜성, 그리고 외행성의 바다. 처음 3단계는 허셜 망원경이 HIFI 계측기로 측정한 수증기의 경로를 보여준다. 차가운 성간 구름과 초기 원반 신호는 젊은 별의 100배 정도 과장되게 표현됐다. ⓒ ESA/ALMA/NASA/L.E. Kristensen

관측 자료는 대부분의 물은 차갑고 질긴 성간 구름에서 작은 먼지 입자의 얼음으로 형성된다는 것을 보여준다. 구름이 새로운 별과 행성으로 붕괴할 때, 이 물은 대부분 보존되면서, 빠르게 자갈 크기의 먼지 입자에 고정된다. 젊은 별 주위의 회전 원반에서, 이 자갈들은 새로운 행성을 위한 빌딩 블록을 형성한다.

연구원들은 대부분의 새로운 태양계가 수천 개의 대양을 채울 만큼 충분한 물을 가지고 태어난다고 계산했다.

초기 허셜 우주천문대의 많은 관측 결과들은 별들이 형성되는 근처에서 눈에 잘 띄고 화려하게 생성되는 뜨거운 수증기에 초점을 맞췄다. 하지만 그 뜨거운 물은 젊은 별에서 나오는 강력한 유출에 의해 우주로 날아가 버린다.

논문을 쓰는 동안, 연구원들은 차가운 수증기와 얼음의 화학 작용에 대해 점점 더 많은 통찰력을 얻었다. 예를 들어, 연구원들은 성간 얼음이 먼지 입자에 층층이 쌓인다는 것을 보여줄 수 있었다.

행성이 태어날 때 풍부한 물 형성

미래에, 연구원들은 특히 행성계를 형성하는데 있어 우주의 더 많은 물을 연구할 수 있기를 희망한다. 하지만, 시간이 좀 걸릴 수도 있다. 허셜에 버금가는 다음 우주 망원경은 2040년 정도에 발사될 예정이다. 2030년경에 ‘물 망원경’이 우주로 갈 가능성이 있었지만, 그 프로젝트는 취소되었다.

2021년 말에는 제임스 웹(James Webb) 우주 망원경이 발사될 것이다. 유럽~미국이 함께 참여해서 제작한 MIRI 기기를 탑재한 제임스 웹 망원경은 지금까지 손이 닿지 않는 물 로드맵의 일부를 공개할 것으로 예상된다.

MIRI는 행성을 형성하는 먼지 원반의 가장 안쪽 영역에서 따뜻한 수증기를 감지할 것이다. 허셜 망원경은 이미 지구와 같은 행성을 형성하는 과정을 추적해서 보여줬다.

에빈 판 디슈호크 박사는 “물 한 잔을 마실 때, 대부분의 분자가 45억년 전에 항성과 행성이 형성되었던 구름에서 만들어졌다는 것을 깨닫는 것은 놀라운 일이다”라고 말한다.

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