물의 기원에 관한 새 연구, 예상보다 100억 년 빨랐다

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우주에서 물이 언제 처음 만들어졌을까? 기존 연구들은 물이 비교적 후기에 형성되었을 것으로 예상했지만, 최근 밝혀진 새로운 연구에 따르면 물은 빅뱅 후 단 1억 년 만에 등장했을 가능성이 크다. 이는 물이 초기 은하의 형성 과정에서 중요한 역할을 했으며, 생명체가 존재할 환경이 예상보다 훨씬 일찍 조성되었을 가능성을 나타낸다.

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4일 온라인 과학매체 피즈(Phys.org)는 영국 포츠머스 대학교의 천체물리학자 다니엘 왈렌(Daniel Whalen) 박사 연구팀이 수행한 연구 결과를 보도했다. 보도에 따르면 연구진은 최신 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 초신성 폭발이 물 형성에 미친 영향을 분석했다. 연구진은 우리가 생각했던 것보다 훨씬 이른 시기인 빅뱅 후 1억 년 만에 물이 형성될 수 있음을 확인했다.

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초신성 폭발, 물의 기원 가능성

물의 구성 요소인 수소는 빅뱅 직후 형성된 반면, 산소와 같은 무거운 원소는 별 내부에서 핵융합 과정을 거쳐 생성된다. 이후 별이 초신성 폭발을 일으키면 이 원소들이 우주로 방출되며, 주변의 수소와 결합해 물이 생성될 가능성이 생긴다. 연구팀은 태양 질량의 13배와 200배에 해당하는 두 개의 초신성 폭발을 시뮬레이션하여 이 과정을 분석했다.

 

 

 

 

그 결과, 첫 번째 초신성 폭발에서는 태양 질량의 0.051배, 두 번째 초신성 폭발에서는 55배에 해당하는 산소가 생성되었다. 이후 이 산소가 냉각되면서 주변의 수소와 결합하여 물이 형성될 수 있는 환경이 조성되었음을 확인했다. 연구진은 이 과정이 예상보다 빠르게 진행되었으며, 초기 우주에서 물이 존재할 수 있는 조건이 갖춰졌다고 설명했다.

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초기 우주의 물, 행성 형성에 영향을 미쳤을까?

초신성 폭발로 생성된 수증기는 빠르게 냉각되어 작은 물 분자들이 형성되었고, 이 물 분자들은 점차 모여 고밀도의 물질 덩어리를 형성했다. 연구진은 이러한 물질 덩어리가 이후 2세대 별과 행성의 형성에 중요한 원재료가 되었을 가능성이 높다고 분석했다.

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첫 번째 초신성 폭발의 시뮬레이션 결과, 폭발 후 약 3천만 년에서 9천만 년 사이에 형성된 물의 질량이 태양 질량의 1억분의 1에서 100만분의 1 수준으로 증가한 것으로 나타났다. 이는 초신성 폭발 이후 상대적으로 오랜 기간에 걸쳐 서서히 물이 형성되었음을 시사한다.

 

 

 

 

반면, 두 번째 초신성 폭발에서는 물의 형성이 훨씬 빠르게 진행되었다. 불과 300만 년 만에 물의 질량이 태양 질량의 0.001에 도달한 것으로 분석되었는데, 이는 더 강력한 초신성이 더 많은 산소를 방출했기 때문으로 해석된다. 즉, 초신성이 얼마나 강력하게 폭발했느냐에 따라 생성되는 물의 양과 속도가 달라질 수 있다는 것이다.

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이 연구는 물이 우주 초기에 형성될 수 있었다는 가설을 뒷받침하며, 기존의 행성 형성과 생명의 기원에 대한 이론을 새롭게 검토해야 할 필요성을 제기한다. 만약 물이 최초의 은하 형성 과정에서 살아남아 이후 행성 형성에까지 영향을 미쳤다면, 물은 생각보다 훨씬 더 보편적인 우주적 요소일 가능성이 크다. 즉, 우주 초기에 형성된 물이 현재 존재하는 행성과 위성, 그리고 나아가 생명체의 형성에도 직간접적인 영향을 미쳤을 수 있다는 것이다.

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향후 연구에서는 제임스 웹 우주망원경(JWST)과 같은 첨단 장비를 이용해 초기 우주의 수증기 흔적을 직접 탐색할 예정이다.

한편 이번 연구는 국제 학술지 네이처 천문학(Nature Astronomy)에도 게재됐다.

 

 

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