[아하! 우주] ‘잃어버린 고리’ 찾았다… “물은 태양보다 먼저 생성됐다”

과학자들은 먼 별을 둘러싸고 있는 행성 형성 물질 원반에서 가스 형태의 풍부한 물을 발견했다. 원반에는 지구의 바다보다 수백 배 더 많은 수량이 포함되어 있는 것으로 드러났다.

이 발견은 별을 형성하는 가스와 먼지 구름에서 물이 어떻게 행성으로 이동하는지, 물의 우주 경로에 대한 단서를 제공할 수 있으며, 지구의 물이 태양보다 먼저 생성된 오랜 물질임을 시사하는 것으로 볼 수 있다.

미국 국립전파천문대(NRAO) 연구진은 칠레 북부의 아타카마 대형 전파간섭계 알마(ALMA)를 사용하여 지구에서 약 1,300광년 떨어진 오리온자리에 위치한 '원시별' V883 오리오니스(Orionis)를 관찰한 결과 이 같은 결론에 도달했다.

NRAO 천문학자이자 연구 수석저자인 존 토빈은 성명에서 "우리는 이제 태양계에서 물의 기원을 태양이 형성되기 이전까지 추적할 수 있게 되었다"라고 밝히면서 "V883 오리오니스는 이 경우 물의 경로에서 '잃어버린 고리'"라고 덧붙였다.

연구팀은 나중에 붕괴되어 행성, 혜성, 소행성을 만드는 젊은 별 주변의 가스-먼지 원반에 있는 '무거운 물(중수)'을 연구했다. 중수는 보통 산소 원자와 한 개와 수소 원자 두 개로 구성된 일반적인 물과는 달리 수소가 중수소로 대체되어 있는 무거운 물이다. 수소 동위원소인 중수소는 핵에 양성자와함께 중성자를 포함하고 있어 일반 수소보다 무겁다.

중수는 보통 물과 다르게 형성되기 때문에 언제 어디서 물이 형성되었는지 추적하는 데 사용된다. 이 기법은 이전에 지구상의 물/중수 비율이 더 태양계의 물 구성 비율과 동일하다는 것을 결정하는 데 사용되었으며, 이는 물이 혜성이나 소행성을 통해 지구로 전달되었을 수 있음을 시사한다.

이런 방법을 통해 연구팀은 물의 '경로'를 결정할 수 있었다. 별을 형성하기 위해 중력 붕괴되는 고밀도의 가스-먼지 구름에서 원시별 주위에서 자라는 행성 원반은 결국 행성과 소행성, 혜성을 만들게 된다. 

혜성에서 행성으로 물이 이동하는 것처럼 별 형성 구름 자체에서의 물의 이동은 관찰된 바 있지만, 물이 별 주변에서 혜성으로 이동하는 경로를 보여주는 연결고리는 아직까지 밝혀지지 않은 '잃어버린 고리'였다.

토빈 박사는 "원반에 있는 물의 구성은 우리 태양계의 혜성과 매우 유사하다"라며 "이것은 행성계의 물이 태양보다 수십억 년 전에 성간 공간에서 형성되었으며, 그 상태 그대로 혜성과 지구 등에 전해졌다는 가설을 확인시켜준다"라고 밝혔다.

물의 여행에서 이러한 연결이 지금까지 관찰되지 않았던 이유 중 하나는 물이 원시별 주위의 행성 형성 원반에 포함되어 있는 동안 얼음 형태로 존재하기 때문에 발견되기 어려웠던 때문이다. 그러나 가스 형태의 물은 분자가 진동할 때 방출하는 방사선을 통해 발견될 수 있다. 이러한 분자의 움직임은 물이 얼어붙은 고체일 때 활성화되지 않는 특성을 가진다. 

가스 형태의 물은 중앙 별의 열기를 잘 받는 원반의 중심에 더 흔하지만, 원반의 먼지에 의해 방사선 방출이 가려진다는 문제가 있다. 더욱이 이 지역은 너무 작아서 현재의 망원경으로는 잘 발견할 수 없다는 것이다.

V883 오리오니스의 물질 원반은 중앙 원시별에서 발생한 폭발의 결과 가열된 탓으로 팀은 물 분자의 방사선을 쉽게 탐지할 수 있었다.

​아타카마 사막 전역에 퍼져 있는 66개의 전파 망원경 안테나로 구성된 ALMA의 감도는 V883 오리오니스 주변의 기체 상태의 물을 발견할 수 있게 해주었을 뿐 아니라 물의 구성과 분포를 결정할 수 있게 해주었다. 이것은 물질 원반이 지구 바다의 총 수량보다 1,200배 이상의 물을 포함하고 있음을 보여주었다.

연구원들은 유사한 행성 형성 원반에서 기체 상태의 물을 추가 조사하기 위해 칠레의 세로 아르마조네스 산 정상에 건설 중인 초대형 망원경(ELT)을 사용할 계획이라고 연구 저자이자 라이든 천문대 박사과정 마고 림커가 밝혔다.

이 팀의 연구 결과는 3월 8일자 '네이처' 온라인판에 게재되었다. 

이광식 과학 칼럼니스트 joand999@naver.com