지구상에 존재하는 물의 기원이 혜성이라는 기존의 주장을 일부 천문학자들이 반박하면서 물의 기원이 어딘인가를 둘러싼 미스테리가 한층 더 짙어졌다.

 

 

우주와 인류 기원 신비 알려 줄 물의 기원, 지금도 연구 계속

 

 

지난 주 칼럼에서 살펴 보았듯이 물은 지구에는 풍부하게 존재하지만, 다른 행성들에서는 쉽게 찾아보기 힘든 물질입니다. 그럼, 이 ‘물’은 도대체 언제, 어떻게 지구에 생겨나게 된 것일까요? 

 

물 분자는 두개의 수소원자와 하나의 산소원자가 결합하여 이루어진 화합물입니다.

 

수소원자는 우주에 존재하는 모든 원자들 중 가장 작고 단순한 원자로서 우주의  탄생즈음부터 우주 전역에 널리 퍼져 있었던 것으로 추측되고 있습니다.

 

이러한 수소원자들이 뭉쳐져 거대한 별을 이루고, 이렇게 생성된 별의 중심부에서는 높은 온도와 압력의 영향으로 수소원자들이 핵융합(nuclear fusion)과정을 거쳐서 베릴륨(Be), 탄소(C), 산소(O) 등의 수소보다 크고 무거운 원자들을 만들어 내게 됩니다.

 

산소도 오랜 기간동안 이러한 과정을 거쳐서 생성되었기 때문에 수소보다 한참을 지난 뒤에 우주에 나타난 것으로 보이며, 관측 결과와 이를 바탕으로한 계산결과 역시 산소는 우주가 생성된 이후 약 수억 년 이후에야 우주에 나타난 것이라는 가설을 뒷받침하고 있습니다.

 

 

오랜 기간동안 별의 중심부에서 만들어진 여러가지 종류의 원자들은 별이 자신의 생을 다하고, 초신성폭발(supernova)에 의해 우주로 다시 퍼져나갈 때, 우주의 전 지역으로 흩어질 수 있게 되었고, 이렇게 흩어진 원자들이 서로 화학결합을 통해 새로운 화합물을 만들어 내기 시작한 것으로 추측됩니다.

 

비록 물을 갖고 있는 행성은 많지 않지만, 물분자는 우주 공간에 적지 않은 양이 퍼져있는 것으로 관측되는데, 이러한 관측결과가 우주 전역에 퍼져 나간 수소와 산소원자들이 서로 결합하여 물분자가 생성되었다는 이론을 뒷받침해주고 있습니다.

 

즉, 물은 우주가 생성된 순간부터 존재한 것이 아니라, 오랜 세월이 지나서야 우주에 생성된 물질인 것입니다.

 

이렇게 생성된 물이 언제, 어떻게 지구에 도착했는가에 대한 가설은 크게 두 가지로 설명되는데, 하나는 1800년대 말에 등장한 가설로서, 물은 지구 내부에서 자체적으로 발생되었다는 가설입니다.

 

초기 지구에서 일어난 수억 년 이상 지속된 화산활동을 통해, 지구 내부의 녹아있는 상태(molten state)의 용암이 암석으로 굳어지는 과정에서 물 분자가 빠져나왔다는 것입니다.

 

물론 초기의 지구는 워낙 고온이었기 때문에 이렇게 빠져 나온 수증기들이 지구에 있지 못하고 우주로 빠져나갔지만, 지구의 온도가 섭씨 100도 이하로 떨어지고, 대기가 형성된 이후로부터는 수증기가 대기에 잡혀 지구 대기권 내에 머물 수 있게 되었고, 포화상태의 수증기가 모여 비를 내림으로써 바다를 이루었다고 보는 주장입니다.

 

현재 암석들에 포함되어있는 수분을 기준으로 계산해 봤을 때, 이러한 가정이 나름 유력한 이론이라고 평가되어왔지만, 사실 지구에 물이 지금과 같이 없는 상황에서 암석내의 수분량이 현재와 비슷할 것이라는 가정 자체가 논리에 어긋난다는 반론 역시 적지 않은 지지를 받고 있습니다.

 

 

현재 과학계에서 가장 유력하다고 받아들여지고 있는 또 하나의 가설은 ‘우주 유입설’로 물 분자가 우주로부터 들어왔다는 가설입니다.

 

앞서 설명드렸듯이 우주 공간에는 많은 양의 물 분자들이 퍼져있고, 이러한 물 분자들이 우주 공간을 돌아다니는 혜성, 소행성 등에 얼음형태로 붙게 되었다고 봅니다.

 

수많은 혜성 및 소행성들이 초기 지구에 대기권이 완벽하게 만들어지기 전에 지구에 충돌하였고, 이때 혜성과 소행성에 있던 물이 지구로 전해질 수 있었다는 가설입니다.

 

이러한 가설은 혜성의 주성분이 다량의 얼음을 포함한 우주 먼지들이라는 것이 관측되면서 제기되기 시작하여, 초기에는 크게 인정받지 못했지만, 2000년대에 들어서 그 가능성에 과학자들이 주목하기 시작했습니다.

 

미항공우주국(NASA)의 관측에 따르면, 현재에도 유성으로부터 소량이긴 하지만, 수분이 대기에 유입되는 사실이 입증되었고, 또 2013년 유럽우주항공국(ESA)의 발표에 따르면, 그들이 1997년 허블망원경을 이용해서 목성의 성층권에서 관측한 수증기가 1994년 7월 목성에 충돌한 ‘슈메이커-레비 9 혜성(shoemaker-levy 9)’에 의해 목성의 대기에 유입된 것으로 보인다고 합니다.

 

또한 ESA는 목성의 혜성 충돌 지역에 다량의 물이 이 집중되어 있는 것을 허블망원경을 이용해 확인함으로써 이 가설에 더욱 더 강한 확신을 주었습니다.

 

 

하지만 아이러니하게도 이러한 관측 결과를 바탕으로 확실한 증거를 잡고자 ESA 가 추진한 로제타 프로젝트(67P/C-G 혜성에 탐사선을 착륙시켜 데이터를 받아들이는 프로젝트, 2014년 11월 과학칼럼 참고)로부터 최근에 얻어낸 데이터를 통해서 다시 물의 ‘우주 유입설’은 미궁속으로 빠져들게 됩니다.

 

10년의 비행끝에 작년 8월 67P/추류모프-게라시멘코 혜성에 도착한 로제타 탐사선이 분광기를 이용해서 관측한 혜성의 물 분자 분석결과가 3개월후 지구에 도착했는데, 그 데이터는 지구의 물이 혜성으로부터 기원했다는 것을 증명해보이기 위해 프로젝트를 시작한 많은 과학자들을 시쳇말로 '맨붕'에 빠지게 만들었습니다.

 

로제타가 보내온 데이터에 따르면 혜성에 있는 물은 지구의 물과 성분이 전혀 달랐기 때문입니다. 원자는 몇개의 양성자를 갖고 있는가에 따라서 분류되는데, 같은 원자라 하더라도 중성자의 갯수가 다르면 그에 따라 질량, 끓는점과 같은 물리적 성질에 차이를 갖게 되기 마련입니다.

 

이러한 입자들을 동위원소(isotopes)라고 부르는데, 물의 구성물질인 수소원자도 중성자의 갯수에 따라 중수소(Deuterium), 수소(Hydrogen)  등의 동위원소를 가지고 있습니다.

 

이들의 화학적 특성은 같기 때문에, 물 분자 내부의 수소는 중수소, 수소 모두가 가능합니다.

 

그런데, 중수소로 이루어진 물분자와 일반 수소로 이루어진 물 분자의 비율은 물 분자가 처음 만들어진 시기의 환경과 밀접한 관계가 있기 때문에, 이 비율은 우주에 퍼져있는 물이 동일한 기원을 갖고 있는 물인지 아닌지를 확인하는 중요한 척도가 됩니다.

 

바로 이 비율이 로제타에서 보내온 혜성의 물 분자가 지구의 물 분자 비율의 약 세배에 해당하는 값을 보인 것입니다. 이 것은 혜성에 있는 물과 지구의 물의 기원이 다르다는 것을 뜻하는 것으로 지구의 물이 혜성으로부터 왔다는 ‘우주 유입설’에 완전히 반하는 데이터가 되버린 것입니다.

 

 

물론 혜성 하나로부터 얻어들인 데이터로 혜성이 지구상의 물의 기원이 아니라고 단정지을 수도 없는 것입니다.

 

지금은 태양의 반대편으로 돌아가 혜성에 착륙한 직후 깊은 잠에 빠져버린 로제타 프로젝트의 핵심 탐사로봇 필레(Philae)가 다시 활동을 시작하면 더 정확한 데이터들을 보여줄 수 있을것으로 기대되며, 또 다른 혜성의 물도 탐사해봄으로써 좀 더 정확한 결론을 얻을 수도 있을 것입니다.

 

물의 기원을 밝히는 연구는 생명체의 기원과 밀접한 관계를 갖고 있습니다. 또 그에 대한 연구 결과가 우주의 다른 생명체의 존재에 대한 중요한 단서가 될 것이기에, 무엇보다 중요한 연구라 할 수 있으며, 반드시 밝혀내야 할 인류의 최대 관심사라 해도 과언은 아닐 것입니다.

 

 

석준영 비센학원장