천문학자들은 지구가 물이 풍부한 곳이 된 이유를 오랫동안 궁금해했습니다. 심해의 바다, 차가운 빙하, 하늘에서 호수, 강, 습지로 쏟아지는 비가 풍부합니다. 우주에서 가장 흔한 원소 1위와 3위로 구성된 물은 형성하기 기만적으로 간단한 분자입니다. 그러나 우리와 같은 암석 행성에 물을 전달하는 세부 사항은 생명의 우주적 보급을 이해하는 데 필수적일 수 있지만 대부분은 알려지지 않았습니다.
물은 복잡한 유기 분자를 조립하는 강력한 매개체이며, 우리가 아는 생명체의 출현과 그에 따른 진화를 위한 안식처를 제공합니다. 지구 깊숙한 곳에서 기후를 안정시키는 판구조가 멈추지 않도록 하는 리소 윤활을 보장합니다. 이는 생명체에 매우 중요할 수 있는 또 다른 메커니즘입니다. 그리고 얼음으로 얼면 어린 세계가 성장하는 데 도움이 되는 접착제를 제공하여 행성 형성에 중요한 역할을 합니다. 따라서 과학자들은 물이 행성을 건조해진 암석에서 지구처럼 축축한 세계로 변형하는 데 필요한 경로인 물의 행성 순례를 더 잘 이해하고자 합니다.
더 많은 통찰력을 얻기 위해 천문학자들은 제임스 웹 우주 망원경(JWST)을 이용하여 원시 행성 디스크를 들여다보고 있습니다. 원시 행성 디스크는 오늘날 행성이 활발하게 형성되고 있는 어린 별 주변의 가스와 먼지 소용돌이입니다. 천문학자들은 이전에도 이러한 디스크 내에서 물을 엿본 적이 있지만, 그들의 시야는 흐릿했습니다. 예를 들어, 수증기는 여러 면에서 지구상에서 가장 강력한 전파 관측소인 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 배열(ALMA)에서 볼 수 있지만, 이 시설은 대체로 물 얼음을 감지할 수 없습니다. 이로 인해 원시 행성 디스크의 바깥쪽 영역이 ALMA의 감시에서 차단됩니다. 또한 배열은 지구상 천체가 형성되는 디스크의 뜨거운 안쪽 영역을 깊이 탐사할 수 없습니다. 반면 JWST는 이러한 연구를 염두에 두고 설계되었으며 문자 그대로—홍수문을 열었습니다. 새로운 우주 관측소는 물이 별을 형성하는 거대한 분자 구름에서 원시 행성 원반으로, 그리고 마침내 행성으로 이동하는 방식에 대한 전례 없는 모습을 제공하고 있습니다. 이는 우리의 물 세계가 어떻게 특별하거나 흔한지 여부를 포함하여 천체생물학에 중대한 의미를 갖습니다.
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텍사스주립대학교에서 원시행성 디스크를 연구하는 천문학자 안드레아 반자티는 “JWST를 사용하면 갑자기 새로운 안경을 끼고 보는 것과 같고 훨씬 더 선명한 시야를 얻을 수 있습니다.”라고 말합니다.
물의 우주적 여정은 빅뱅 이후 수억 년 후에 시작되었습니다. 수소 저장소를 통해 맹렬하게 융합하여 더 무거운 원소를 쏟아낸 최초의 별이 초신성으로 폭발하여 우주에 산소를 뿌린 때였습니다. 이 시점에서 산소 원자 하나가 수소 원자 두 개와 섞여 물 분자를 형성할 수 있었습니다. 이 분자는 창조와 파괴의 우주적 순환에서 별과 다른 천체물리적 근원에서 나오는 고에너지 방사선에 의해 다시 분리될 수 있습니다. 그러나 조만간 – 어떤 경우에는 의심할 여지 없이 수십억 년 후에 – 그러한 물은 분자 구름의 차가운 경계로 향했고, 그곳에서 또 다른 혼란스럽고 폭력적인 여정의 장이 시작되었습니다. 분자 구름은 거대하고 차가운 먼지와 얼어붙은 가스 덩어리로, 풍부한 물 얼음을 포함하고 있으며 별과 행성 모두의 요람 역할을 합니다. 구름의 일부가 임계 밀도에 도달하면 중력으로 인해 그 조밀하고 거의 구형인 영역이 평평하고 회전하는 원시 행성 원반으로 붕괴되고, 그 중심에는 새로 생겨나는 빛나는 별이 있습니다. 이 과정의 대부분은 먼지에 가려져 있으며 JWST가 나올 때까지 탐사하기가 거의 불가능하다는 것이 증명되었습니다. 하버드 대학교의 천문학자인 카린 외버그는 “JWST의 놀라운 감도 덕분에 통과하는 몇 개의 광자를 포착하고 별과 행성이 형성되기 직전에 얼음 입자를 특성화할 수 있었습니다.”라고 말합니다.
그곳에서 자라나는 별은 감싸고 있는 원반에서 쏟아지는 물질을 먹고 더 많은 빛과 열을 생성하며, 원반의 물 분자를 분해하여 그렇지 않으면 세계로 흘러들었을 수분을 구워냅니다. 이 과정이 너무 효율적으로 일어난다면, 그 결과 은하계는 말라붙은 행성계로 가득 찰 것이고, 우리는 여기에 없을 수도 있습니다. 이것이 대부분 과학자들이 이것이 사실이 아니라고 의심하는 이유 중 하나입니다. 어떻게든 물은 고요한 분자 구름에서 뜨거운 별 형성 원반을 통해 무사히 통과해야 합니다.
2021년 미국 국립 전파 천문대의 천문학자 존 토빈과 다른 사람들은 ALMA를 사용하여 지구에서 1,305광년 떨어진 곳에 있는 원반 모양의 원시별 V883 오리온자리를 관찰했습니다. 이 별은 우리 태양보다 약간 더 크지만 약 200배 더 밝습니다. 이 원시별의 빛은 차가운 바깥쪽 원반을 가열하여 얼음을 수증기로 바꾸고, 이는 ALMA의 전파 시야를 위한 신호가 됩니다. 이는 행운이었습니다. 토빈의 팀은 높은 비율의 준중수를 보았습니다. 준중수는 더 무거운 수소 동위원소인 중수소가 물 분자의 두 개의 표준적이고 가벼운 수소 원자 중 하나를 대체합니다. 준중수는 차가운 온도에서만 형성될 수 있고(별 형성과 직접 관련된 고온에서는 형성될 수 없음) V883 오리온자리 주변에서 유래한 것은 분자 구름 자체로 거슬러 올라가야 하며, 이는 물이 별 형성 과정을 변함없이 거쳤음을 시사합니다. 실제로 토빈과 그의 동료들이 관찰한 준중수와 일반수의 비율은 다른 분자 구름에서 관찰된 비율과 완벽하게 일치했습니다. 또한 태양계 혜성에서 발견된 비율과도 일치했습니다. 이는 물이 바위가 많은 세계에 도달할 수 있는 한 가지 방법을 암시합니다.
천문학자들은 현재 지구형 행성이 세 가지 다른 방법으로 물을 얻을 수 있다고 생각합니다. 물은 처음부터 거기에 있었을 수 있습니다. 행성 자체의 구성 요소인 먼지 입자에 고치처럼 싸여 있을 수 있습니다. 또는 성장하는 행성이 원시 디스크의 가스에서 직접 수증기를 빨아들여 중력이 암석 핵 주위에 습한 대기를 형성할 수 있도록 할 수 있습니다. 또는 행성이 형성되면 행성계의 먼 지역에서 떨어진 남은 얼음 파편을 통해 수입된 물을 마신 것일 수도 있습니다. 토빈의 결과는 후자의 경로가 중요한 역할을 하지만 물을 전달하는 혜성과 운석이 단독으로 작동하지 않는다는 것을 시사합니다. 지구의 물은 혜성에서 발견되는 것보다 반중수와 일반 물의 비율이 약간 낮습니다. 즉, 우리 행성의 물의 대부분이 태양계 외곽의 얼음 내륙에서 온 반면 일부는 태양 근처의 고온에 노출되었을 것입니다. 그러나 그 노출이 어떤 모습일지는 여전히 미지수입니다.
답을 찾기 위해 Öberg는 우주 지도를 만들고자 합니다. 즉, 이 어린 원시 행성 디스크 주변의 물의 위치를 정확히 파악하여 형성 세계에 공급할 수 있는 물이 어디에 있는지 확인하고자 합니다. ALMA는 이미 흐릿한 이미지를 스케치했고 JWST는 놀라운 세부 정보로 그 틈을 채우기 시작했습니다. 작년 4월, 독일 가르힝에 있는 막스 플랑크 외계 물리학 연구소의 천문학자 시에라 그랜트와 그녀의 동료들은 JWST를 사용하여 이전에는 건조해 보였던 디스크의 물을 관찰했습니다. 이는 잘 연구된 시스템에서도 새로운 통찰력을 끌어낼 수 있는 우주 관측소의 놀라운 능력을 보여줍니다. 그랜트는 “JWST로 우리는 정말 새로운 시대에 들어섰습니다.”라고 말합니다. “이전에 감지할 수 없었던 것을 감지할 수 있다는 것은 놀라운 일입니다.”
그러다가 작년 8월, 독일 하이델베르크에 있는 막스 플랑크 천문학 연구소의 천문학자 줄리아 페로티와 다른 사람들이 PDS 70에서 수증기를 감지했습니다. PDS 70은 아직 하나가 아니라 두 개의 거대 행성을 품고 있는 것으로 알려진 유일한 원시 행성 디스크입니다. 수증기가 존재한다는 것은 지구형 행성도 내부 디스크 내에서 합쳐지고 있다는 것을 의미할 가능성이 큽니다. 천문학자들이 지금 물을 발견한 정확한 위치입니다. “이것은 우리가 행성의 중앙 영역에서 수증기를 감지한 것은 처음입니다. 플래닛호스팅 디스크입니다.” 페로티가 말합니다. 이전 관측에서는 물이 전혀 없었습니다. 별에 너무 가까이 있는 강렬한 방사선을 견뎌내기란 쉽지 않을 것이라는 점을 감안하면 놀라운 일이 아니었습니다. 이제 천문학자들은 물이 존재할 수 있으며 행성이 자라면서 대기에 달라붙을 수 있다는 것을 알고 있습니다. 나중에 행성 간 방문자를 통해 건조한 행성에 도달하는 것과는 대조적입니다. 따라서 우주의 대부분 지구 세계는 처음부터 풍부한 물을 가지고 풍부하게 태어날 수 있습니다.
그 자체로 문제가 될 수 있으며, 이는 다음과 같은 세계로 이어질 수 있다고 Öberg는 말합니다. ~도 물이 풍부합니다. 과학자들은 현재 바다 세계가 생명을 창조하는 데 어려움을 겪을 것이라고 생각하지만, 연못이 많은 대륙이 있는 행성은 훨씬 더 운이 좋을 것입니다. 그 이유는 생물 이전 화학과 복잡한 화학 시스템의 부상에 중요하다고 생각되는 많은 반응이 넓고 희석된 바다보다 작고 농축된 연못에서 훨씬 더 효율적으로 진행되기 때문입니다. 게다가 대륙에서 침식된 미네랄은 물에 중요한 영양소를 더할 것입니다. 하지만 우주가 지구와 같은 수중 구체를 얼마나 자주 만드는지 알아내려면 먼저 어린 원시 행성 디스크를 이해해야 한다고 Öberg는 주장합니다. 즉, 이러한 디스크 주변의 물의 위치뿐만 아니라 물이 한 지역에서 다른 지역으로 어떻게 흐르는지도 보여주는 우주 지도를 완성해야 합니다.
그러나 디스크의 얼음 바깥쪽 영역에서 물이 어떻게 안쪽으로 쏟아지는지는 불분명합니다. 특히 바깥쪽과 안쪽 디스크 사이에 큰 간격이 있는 PDS 70의 경우는 더욱 그렇습니다. 작년 11월 반자티, 외버그 등이 시스템의 눈선, 즉 온도가 변하면서 물이 고체에서 액체나 기체로 바뀌는 전이 영역에서 수증기를 관찰했습니다. 이를 통해 물이 안쪽으로 이동하는 물리적 과정이 확인되었습니다. 40년 전 천문학자들은 바깥쪽 디스크의 물 얼음이 더 튼튼한 고체 물질(몇 밀리미터에서 몇 미터까지 크기가 다양한 먼지 입자와 소위 얼음 자갈) 위로 안쪽으로 표류하다가 눈선에서 거대한 수증기 안개로 승화할 것이라고 가정했습니다. 반자티가 관찰한 정확한 특징입니다. “이것은 행성 형성의 기본 이론에서 예상했던 것과 정확히 같으며, 이 ‘자갈 표류’ 시나리오는 [terrestrial planets] 그리고 심지어 물을 공급하기도 합니다.” Banzatti가 말했습니다. “그 작은 신호로 아름다운 이야기를 만들어낼 수 있습니다.” 그리고 그것은 PDS 70에 대한 의미를 가지고 있습니다. Perotti는 이 메커니즘이 시스템 디스크의 바깥쪽과 안쪽 영역 사이에 틈이 생기기 전에 물을 안쪽으로 운반했을 것이라고 의심합니다. 아니면 물이 지금도 틈을 통해 계속 이동하고 있을 수도 있지만, 아직 보이지 않는 훨씬 작은 미크론 크기의 얼음 먼지일 수도 있습니다. 이 먼지는 일부 물 분자와 함께 보호막 역할을 하여 많은 물 분자가 쪼개지는 것을 막을 수 있습니다.
따라서 Öberg의 우주 지도는 점점 더 자세해지고 있습니다. 원시 행성 원반의 많은 지역에서 방대한 저수지가 발견되어 물이 수많은 방식으로 암석 세계로 흐를 수 있음을 시사합니다. 하지만 천문학자들은 여전히 한 가지 시나리오가 우세한지 알지 못합니다. Perotti는 “연구의 이 단계에서는 배타적인 입장에 있지 않습니다.”라고 말합니다. 예를 들어 PDS 70에서 이러한 지구형 행성은 쉽게 이용할 수 있는 물 중 일부를 잃고 나중에 소행성에 의존하여 물을 보충할 수 있습니다. 향후 관찰을 통해 지배적인 경로가 밝혀질 것이며, 이는 행성계의 특정 특성에 따라 달라질 수 있습니다.
예를 들어, 그랜트는 물의 역학이 별의 질량에 따라 어떻게 확장되는지 보고 싶어합니다. 지금까지 고질량 별은 대부분 건조한 것으로 보입니다.&노브레이크; 반면 작고 태양과 비슷한 별은 비교적 물에 잠긴 것처럼 보이지만, 그랜트는 가장 작은 별 중 일부의 일반적인 특징을 알고 싶어합니다. M 왜성이라고 불리는 이 별은 희미하여 이를 도는 행성이 생명체가 살기에 충분히 따뜻하려면 가까운 궤도에 있어야 합니다. 이러한 특성으로 인해 행성 사냥꾼이 JWST 및 기타 망원경을 사용하여 조사하기 비교적 쉽습니다. 이들의 원시 행성 디스크는 오랫동안 물이 부족한 것으로 나타났지만 최신 데이터는 그렇지 않음을 시사합니다. 작년 12월 반자티, 외버그 및 동료들은 M 왜성 주위의 물이 풍부한 디스크의 첫 번째 사례를 자세히 설명하는 연구를 발표했습니다. 그랜트는 가능한 한 많은 작은 별을 탐색하여 이 질문을 더 탐구할 계획입니다. 한편 반자티는 30개의 다른 시스템에서 눈선을 지속적으로 분석하여 작고 컴팩트한 디스크가 크고 확장되고 틈이 채워진 디스크가 처리할 수 있는 것보다 10배 더 많은 물을 내부 영역으로 보낸다는 사실을 이미 밝혀냈습니다. 물의 우주 여행이 마침내 초점이 맞춰지고 있습니다.
“이런 결과가 함께 나타나는 것을 보는 것은 정말 신나는 일입니다.” 토빈이 말했다. “놀라운 발견의 시대입니다. 하지만 우리는 아직 밖에 있는 것의 표면만 긁어본 것뿐입니다.”
