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- 태초에는 플라스마가 있었다. 빅뱅 이후 우주는 여전히 매우 뜨거웠기 때문에 최초의 원소들은 자유롭게 떠다니는 전자를 가진 이온화된 원자핵으로 존재
- 빅뱅 후 약 38만 년이 지나서 원자핵과 전자가 원자를 형성할 수 있을 만큼 충분히 냉각
- 모든 이론적 연구에 따라 낮은 충돌 에너지에서 반응 계수가 급격히 감소할 것으로 예상
- 충돌 에너지와 전혀 무관한 높은 반응 속도를 관찰

우주 최초 분자 헬륨 수소화물의 반응 예상과 달라
수소화헬륨은 현재 모델과 모순돼, 더 중요 역할 했을 듯

화학적 기원:
우리 우주 최초의 분자는 예상과 다르게 반응했다는 것이 실험을 통해 밝혀졌다. 극저온 조건에서도 고온 조건에서와 마찬가지로 수소와 결합하는 속도가 같았다. 이는 일반적인 이론적 모델을 반박하며, 우주 최초의 별 형성에서 이 분자가 맡았던 역할에 대한 새로운 시각을 제시한다. 따라서 수소화헬륨은 이전에 생각했던 것보다 "우주의 새벽"에 더 중요한 역할을 했을 가능성이 있다. 

▲ 수소화헬륨은 우주 최초의 분자였다. 수소(여기서 보이는 중수소)와의 반응은 최초의 별 형성에 결정적인 역할을 했다. © MPI für Kernphysik; HG: W. B. Latter, SIRTF Science Center/ Caltech/ NASA

태초에는 플라스마가 있었다. 빅뱅 이후 우주는 여전히 매우 뜨거웠기 때문에 최초의 원소들은 자유롭게 떠다니는 전자를 가진 이온화된 원자핵으로 존재했다. 빅뱅 후 약 38만 년이 지나서야 우주는 원자핵과 전자가 결합하여 원자를 형성할 수 있을 만큼 충분히 식었다. 이는 초기 우주 역사에서 중요한 이정표였다. 그 직후, 최초의 분자인 헬륨 수소화물(HeH+)이 형성되었다. 헬륨과 수소 핵의 화합물이다. 이 최초의 분자는 우주의 발전에 중요한 역할을 했다. 최초의 분자 수소(H2)와 다른 분자들의 형성으로 이어지는 일련의 반응을 일으켰다.

별 형성을 위한 냉각제

하지만 더 중요한 것은, 헬륨 수소화물이 없었다면 최초의 별들은 형성되지 않았을 것이라는 점이다. 별 형성을 위해서는 초기 구름이 붕괴하기 위해 냉각되어야 한다. "하지만 1만 K(켈빈) 이하의 온도에서는 가벼운 원자들 사이의 거리가 너무 멀어 충돌로 원시별 붕괴에 필요한 냉각을 제공할 수 없다"고 하이델베르크 막스 플랑크 핵물리학 연구소의 플로리안 그루시에(Florian Grussie)와 그의 동료들은 설명했다.

이 부분에서 헬륨 수소화물이 중요한 역할을 한다. 분자는 회전과 진동을 통해 추가 에너지를 방출할 수 있다. "이로 인해 훨씬 낮은 온도에서도 복사 냉각이 가능하다"고 연구진은 설명한다. 수소화헬륨은 전하 분포가 특히 불균형하다. 이 큰 쌍극자 모멘트는 원시 분자를 최초의 별들이 탄생하는 동안 완벽한 냉각 보조제로 만들었다. 따라서 초기 우주의 수소화헬륨 농도는 "암흑시대"의 종식과 우주의 새벽에 중요한 요인이었을 수 있다.

▲ 수소화헬륨 이온은 초기 우주 최초의 화합물이었다. © Universität Stuttgart/ NIESYTO design

반응 속도에 문제가 있었을까?

하지만 바로 이 시점에서 문제가 발생한다. 초기 우주에서 수소화헬륨이 얼마나 빨리 수소와 반응해 분해됐는지는 여전히 논쟁의 여지가 있다. 이 반응은 중성 헬륨 원자와 이원자 수소 이온을 생성하며, 이는 다음 단계에서 분자 수소가 된다. 그뤼시와 그의 동료들은 "이전의 모든 이론적 모델은 에너지 장벽 때문에 저온에서 이 반응이 훨씬 더 느리게 진행됨을 보여주었다"고 설명했다.

이를 검증하기 위해 물리학자들은 초기 우주와 유사한 조건에서 이 반응을 처음으로 재구성했다. 그들은 MPI 핵물리학 연구소의 극저온 저장 링(내부를 초저온 우주 온도까지 냉각할 수 있는 가속기)을 사용했다. 실험을 위해 수소화 헬륨 이온을 저장 링에 주입하고 60초 동안 냉각했다. 그런 다음 중성 중수소 원자 빔을 링에 주입하여 두 입자 빔이 약 4.50m 길이에서 만나도록 했다.

▲ 수소화헬륨과 수소의 반응. 이 두 단계 반응의 결과는 헬륨과 수소 분자다. 출처: Experimental confirmation of barrierless reactions between HeH+ and deuterium atoms suggests a lower abundance of the first molecules at very high redshifts / A&A Volume 699, July 2025

이 접촉 영역에서 반응이 발생했다. 수소화 헬륨이 수소 동위원소와 반응하여 붕괴됐는데, 이는 초기 우주에서와 같은 반응이었다. 실험에서는 일반 수소 대신 중수소를 사용했지만, 물리학자들의 설명에 따르면 두 동위원소 모두 화학적으로 동일한 방식으로 반응한다. 특수 검출기를 사용하여 이 반응이 서로 다른 온도에서 얼마나 효율적으로 진행되는지 확인했다.

일정한 속도가 기존 모델을 반박

결과는 놀라웠다. 그루시와 그의 팀은 "이전의 모든 이론적 연구에서 예측했듯이 낮은 충돌 에너지에서 반응 계수가 급격히 감소할 것으로 예상했다"고 보고했다. 그러나 반응 속도는 거의 일정하게 유지되었다. "놀랍게도, 우리는 충돌 에너지와 전혀 무관한 높은 반응 속도를 관찰했다." 따라서 관찰된 헬륨 수소화물의 분해는 이론적 예측과 크게 다르다.

이 결과는 일반적인 가정과 모순된다. 저온 조건에서 헬륨 수소화물의 분해를 늦추는 에너지 장벽은 존재하지 않는 것으로 보인다. 오히려 초기 우주의 이 중요한 냉각 분자는 그때에도 수소와 효과적으로 반응할 수 있었을 것이다. 이 결론은 최근 이론 모델 검토에서 계산상의 오류를 발견한 것과 일치한다. 이 오류가 수정되면 모델에서도 이 장벽이 사라진다.

헬륨 수소화물은 이전에 생각했던 것보다 더 중요했다.
이것은 초기 우주에 무엇을 의미할까요? 이 새로운 결과는 우주의 새벽 동안의 과정을 더욱 명확히 하는 데 기여한다. 지금까지 최초의 별들이 언제 어떻게 형성되었는지에 대한 부분적인 설명만 제공되었다. 그러나 이제 밝혀진 바에 따르면, 최초의 분자인 헬륨 수소화물은 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 중요한 역할을 했을 가능성이 있다.

다른 분자들이 형성되기 전에도, 이 화합물은 반응을 통해 다량의 분자 수소를 형성하고 최초의 별의 요람을 냉각시켰을 수 있다. "수소화헬륨과 중성수소, 중수소의 반응은 초기 우주의 화학적 구성에 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 중요했던 것으로 보인다"고 그뤼시의 동료인 홀거 크레켈은 설명했다.

참고: Astronomy & Astrophysics, 2025; doi: 10.1051/0004-6361/202555316
출처: 막스 플랑크 핵물리학 연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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