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원시 분자의 발견 :수소 이온화 헬륨

9월 29일 업데이트됨

현재 우리가 살아가는 세상은 무지막지한 밀도와 온도의 하나의 점의 폭발에서부터 시작되었다고 한다. 처음에는, 아주 처음에는 이 세상의 모든 것이 하나의 점에 모여있었다. 그리고 우주가 팽창하기 시작하면서 온도가 내려가고, 양성자나 중성자, 전자 등의 우리가 알고 있는 물질들이 생성되었다. 그리고 이들이 중력에 의해 모여 별과 행성, 은하 등의 다양한 천체들로 변한 것이다.

timeline of metric expension of space

원자들이 생성되고 이들이 모여 분자들이 생성될 때, 수소 이온과 헬륨으로 이루어진 화합물인 수소 이온화 헬륨(Helium hydride ion, HeH+)이 중요한 역할을 한다고 한다. 2019년 4월 18일, ‘사이언스’, ‘가디언’ 지 등 주요 언론들은 독일 막스플랑크연구소외 쾰른 대학교, 미 존스 홉킨스 대학 과학자들이 최초로 우주생성 초기 원시 분자를 발견했다고 보도했다.

HeH+의 존재 가능성이 처음 거론된 때는 1925년이다. 당시 화학자들은 연구실에 가상의 빅뱅 환경을 조성하고 실제로 HeH+ 합성에 성공했다. 45년 후 당시의 이론 물리학자들은 HeH+가 인공적인 환경이 아닌 성운이나 소멸하는 별들로부터 분출된 가스 등에 존재한다고 주장하였다. 하지만 모든 것은 이론에 머물렀을 뿐, 실제로 우주 공간상에 HeH+가 존재하는지는 미지수였다.

우주 공간에서는 기본적인 물리 법칙들도, 공간의 개념도, 심지어는 시간의 개념까지도 우리의 상식을 뛰어넘는다. 또한, 기본적으로 천체와 천체 사이의 거리가 매우 멀다. 따라서 우주 분자를, 그것도 빅뱅 초기의 분자를 관측하고 그의 성질을 분석하는 일은 거의 불가능의 가까운 일이었다. 적어도 최근까지는 말이다.

이러한 상황에서 우주 화학자들은 빅뱅현장에서 발산되는 빛의 특성 주파수(characteristic frequencies)에 관심을 갖기 시작했다. 특히 지구 대기에 막혀 보이지 않았던 특정한 파장(진동수)의 빛 스펙트럼 선(spectral line)관측을 시도했고, SOFIA (성층권 적외선 관측소의 명칭. (SOFIA·airborne Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy)) 외곽에 설치한 원적외선 분광기(far-infrared spectrometer)를 통해 HeH+의 존재를 확인할 수 있었다. HeH+이 발견된 곳은 ‘NGC 7027’라 불리는 행성 성운(planetary nebula)으로, 지구로부터 약 3000광년 떨어져 있는 곳이다.


미 항공우주국(NASA)의 공중천문대인 소피아 성층권 적외선 관측소(SOFIA·airborne Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) ⓒWikimedia Commons


‘NGC 7027’라 불리는 행성모양의 성운 ⓒWikipedia

이번 연구 결과는 빅뱅 초기의 분자를 확인한 최초의 사례다. 우주 생성 당시 비활성화된 헬륨을 기반으로 지금의 과학지식으로는 이해하기 힘든 분자가 생성되고 있다는 사실을 말해주고 있다.

연구진은 “현재의 관점에서 HeH+는 중요하지 않겠지만, 과거 우주 역사의 관점에서 보았을 때 HeH+는 우주가 어떻게 생성됐는지 화학의 역사를 써나갈 수 있는 중요한 단초가 되고 있다”고 말했다. 또한 이 연구를 이끈 막스플랑크 연구소의 롤프 귀스턴(Rolf Güsten) 박사는 “HeH+ 관측에 있어 오류는 없었으며, 우주의 분자 생성에 대한 수수께끼를 모두 해소할 수 있었다”고 말했다.

조지아 대학의 HeH+ 전문가 필립 스탠실(Phillip Stancil) 교수는 “HeH+ 외에 1~2개 정도의 우주 분자를 발견할 필요가 있다”고 말했다. 추가적인 우주 분자들의 발견을 통해 우주 생성과정에서 특히 빅뱅 초기 때의 화학반응이 어떻게 일어났는지 확인할 수 있다는 것이다.

과학자들은 자연에서 일어나는 일들은 다양한 방법으로 분석하고 해석하여 우리가 직접 눈으로 볼 수 있는 것들, 또는 시간이 지나 실제로 사실 여부조차 모르는 사건들을 논리적으로, 과학적으로 알아낸다. 이 연구에서는 139억년 전 우리가 사는 이 세상이 어떻게 만들어졌으며, 어떠한 화학 반응으로 물질이 만들어졌는지 알게 해주었다.


<참고문헌>

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang

[2] https://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=19311410&memberNo=30120665

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Helium_hydride_ion


<이미지>

[1] Wikipedia

[2] Wikimedia Commons

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang


Chemi 학생기자 강승욱

2019년 가을호

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