지구의 물, 지구보다 오래됐다?
물 분자는 부분적으로 별을 형성하는 가스 구름의 붕괴에서 비롯된다.

성간 기원:
지구의 물 중 일부는 우리 행성보다 오래됐을 수 있다. 이 물 분자는 태양 주위의 원시행성 원반이 형성되기 이전에 왔기 때문이다. 연구에 따르면 성간 공간에서 나온 이 물은 별을 형성하는 태초의 구름이 해체되고 지구가 자랄 때 태양 가까이로 옮겨졌다. 운석 내 함유물의 동위원소 분석이 이에 대한 징후를 제공한다. 

▲ 지구에 있는 물의 일부는 원시행성 원반이 형성되기 전에 성간 공간에서 왔을 수 있다. ©ESO/L. Calçada, CC-by-sa 4.0

태양계는 우리 우주의 고향이지만 그 기원은 부분적으로만 설명되었다.
천문학자들은 외계 행성계와 원시행성 원반을 관찰함으로써 행성이 언제 어떻게 형성되는지에 대한 아이디어를 얻을 수 있다. 그러나 이러한 모델이 정확한지, 프로세스가 어떻게 세부적으로 발생했는지, 예를 들어 행성이 기본 구성 요소를 어디에서 얻었는지는 불분명하다.

우리 행성은 어디에서 물을 얻었을까?

이러한 열린 질문 중 하나는 물의 기원에 관한 것이다.

이론적으로, 이러한 물 분자의 대부분은 원시행성 원반, 즉 행성의 구성요소가 점진적으로 성장하는 회전하는 원시 구름에서 나와야 한다. 초기 혜성과 소행성의 영향은 원시 지구에 "물을 가져오는 자"로 간주된다.

문제는 지구의 물에 있는 중수소 동위원소 중 수소의 비율이 이러한 잠재적 소스의 비율과 다르다는 것이다. 설명을 찾기 위해 파리 소르본 대학의 Jerome Aléon과 동료들은 태양계의 초기 단계에서 일부 "현대적 증거물"을 조사했다.

이들은 원래 운석의 작은 내포물이다. 카자흐스탄에서 발견된 에프레모프카 운석(Efremovka-Meteorit)은 탄소질 콘드라이트에 속하며 지난 45억 년 동안 조성이 거의 바뀌지 않았음에 틀림없다.

"칼슘과 알루미늄을 포함하는 이 내포물은 태양계에서 가장 오래된 암석이다"고 연구자들은 설명했다. "그들의 광물학, 화학 및 동위원소 구성은 행성 형성 초기의 물리화학적 조건을 제한하는 데 사용된다." 그들은 연구를 위해 이러한 내포물의 물 분자에 있는 중수소 함량을 구체적으로 분석했다.

초기 태양계의 두 저장고

미네랄 알갱이의 물은 세 가지 다른 동위원소 값을 보여준다.
두 개는 가장 오래된 내포물에, 다른 하나는 구조의 더 어린 외층에 있다. 외부 동위 원소 값은 오늘날의 지구 물의 값과 대략 일치하지만 두 개의 오래된 동위 원소 값은 크게 다르다.

"첫 번째 구성 요소는 육상 해수보다 1mil 당 850 낮은 중수소 함량을 가지고 있으므로 태양 원시 성운에 해당한다"고 연구자들은 보고했다. 따라서 이러한 광물은 태양의 수소 가스가 응축되어 직접 형성되었을 수 있다.

그러나 두 번째 구성 요소는 태양 환경보다 중수소 함량이 훨씬 높다.
Aléon과 그의 팀 보고서는 "이러한 동위원소 값은 태양계 형성의 초기 단계에서 두 개의 공존하는 가스 저장소가 있었음을 시사한다"고 말했다.

이 두 번째 저장고는 태양에서 기원한 것이 아니라 그들의 결론에 따르면 어린 태양의 성간 환경에서 왔음에 틀림없다. 중수소 함량이 더 높은 수소가 있었기 때문이다.

원시 태양성 구름의 붕괴

이 수소는 어떻게 젊은 태양계에 들어왔을까?
내포물의 광물로부터 연구자들은 이 입자들 중 가장 오래된 것이 원시행성 원반이 형성되기 전인 최초 20만년 동안 형성되었음에 틀림없다는 결론을 내렸다. 이 기간 동안 성장하는 태양은 여전히 ​​주변에서 물질을 끌어들이고 있었다고 Aléon과 그의 동료들은 설명한다.

그들의 견해에 따르면, 원시태양 가스 외피의 이러한 붕괴는 성간 매질에서 나오는 수증기를 태양 가까이로 가져왔을 수 있으며, 이것이 두 번째 물 저장고를 형성했다. 태양계의 원시행성 원반이 점차 형성될 때, 태양계와 성간 수소가 혼합되어 물이 만들어졌으며, 이 물은 나중에 지구의 성장하는 행성 구성 요소로, 나중에는 행성 대기로 흘러 들어갔다.

성간 및 지구보다 오래된

종합하면, 이것은 지구의 물의 일부가 우리 행성이 형성되기 훨씬 이전에 형성되었으며 성간 기원이라는 것을 의미한다. 이 물은 최초의 행성이 형성되기 전에 성간 공간에서 내부 태양계에 도달했다. 따라서 지구보다 오래된 물 분자는 오늘날 바다에서도 발견될 수 있다.
(Nature Astronomy, 2022; doi: 10.1038/s41550-021-01595-7)
출처: CNRS

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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