[과학을읽다]지구에도 태초부터 물이 있었을까?

JWST, 암석형 행성 생성 중인 곳에서 수증기 관측
기존 이론과 달리 뜨거운 온도·항성풍 견뎌내고 존재
물의 지구자체생성설 간접 증거일 수도

물은 지구 생명체에 필수적인 원소다. 하지만 언제부터 어떻게 지구에 물이 존재했는지는 아무도 알지 못한다. 혜성ㆍ소행성 등에서 왔다는 외부유입설, 태초부터 존재했다는 자체생성설이 있을 뿐이다. 다만 태양과 적당한 거리, 즉 골디락스존에 위치해 있어 물이 보존됐고 덕분에 생명체가 번성할 수 있었다. 그런데 최근 '인류의 눈' 제임스 웹 우주망원경(JWST)이 자체생성설에 힘을 실어 주는 관측 결과를 얻어내 관심을 끌고 있다. 가스와 먼지로 가득 찬 채로 지구형 행성이 만들어지고 있는 먼 우주 항성계에서 물이 포착된 것이다. 지구도 태초 생성기부터 물을 품고 있었을 수 있다는 것이다.

JWST가 수증기의 존재를 관측한 PDS 70 항성계의 상상 이미지. 사진출처=NASA 홈페이지

미 항공우주국(NASA)은 독일 막스플랑크 천문학연구소(MPIA) 등으로 구성된 연구팀이 JWST의 중적외선 관측기(MIRI) 촬영 데이터를 분석해 지구에서 약 370광년 떨어진 원시 항성계 'PDS 70'에서 수증기의 존재를 확인했다고 24일(현지 시각) 밝혔다. 이 항성계는 현재 별들이 만들어지고 있는 상태다. 가스ㆍ먼지로 이뤄진 내부 원반ㆍ외부 원반이 약 80억km 간격으로 존재한다. 두 원반 사이에는 이미 만들어진 가스형 거대 행성 두 개가 있다.

연구팀은 이 항성계의 내부 원반 내 중심 항성으로부터 약 1억6000만km 떨어진 곳에 있는 암석 지역, 즉 지구형 행성이 생성되고 있을 것으로 추정되는 곳에서 수증기를 찾아냈다. 그동안 다른 항성계의 원반에서 물이 관측된 적은 있지만 이번처럼 지구와 비슷한 암석형 행성들이 생성 중인 곳에서는 사상 처음이었다.

줄리아 페로티 MPIA 연구원은 NASA에 "다른 원반에서도 물을 발견한 적은 있지만 (중심부에) 그리 가깝지 않았고 행성들이 막 만들어지고 있는 항성계는 아니었었다"면서 "웹 망원경이 발사되기 이전에는 할 수 없었던 관측"이라고 말했다. 토마스 헤닝 MPIA 소장도 "이번 발견은 지구와 유사한 암석형 행성들이 일반적으로 생성되는 곳을 조사했다는 점에서 매우 흥미로운 결과"라고 설명했다.

이번 발견이 이뤄진 PDS 70 항성은 태양보다 더 차가운 'K형 항성'으로 분류된다. 약 5400만년 전에 생성됐을 것으로 추정되고 있다. 이는 다른 행성 형성 단계의 원반을 가진 항성들과 비교해선 상대적으로 오래된 것이다. 이에 수증기의 발견은 더욱 놀라운 결과라는 게 NASA의 설명이다. 행성 형성 단계에선 시간이 흐를수록 가스ㆍ먼지 등이 감소한다. 중심부 항성의 복사열이나 항성풍에 의해 날아가거나 먼지들이 뭉쳐 항성을 형성하는 더 큰 물체로 자라나기 때문이다. 물도 마찬가지다. 천문학자들은 그동안 물이 가혹한 항성 복사에서 살아남지 못해 암석 행성이 형성되는 건조한 환경이 조성된다고 생각해 왔었다.

아직까지 PDS 70 항성계의 내부 원반에서 생성된 행성들이 발견되지는 않았다. 하지만 지구처럼 규산염으로 이뤄진 암석형 행성의 구성 성분들이 존재하고 있다. 이런 상태에서 수증기의 존재를 찾아냈다는 것은 지구와 같은 암석형 행성이 생성 초기 단계부터 물을 포함하고 있을 수 있다는 것을 시사한다.

그렇다면 PDS 70 항성계의 물이 어디서 왔을까? 설명 가능한 가설은 우선 애초부터 그 자리에 있었다는 것이다. 물 분자들이 수소ㆍ산소 원자의 융합으로 자체 생성됐다고 볼 수 있다. 또 다른 가능성은 온도가 낮은 외부 원반에 있던 얼어붙은 우주 먼지 분자들이 온도가 높은 내부 원반으로 옮겨 왔으며 이 과정에서 얼음이 녹아 수증기화됐다는 것이다.

어떻게 항성에 그 정도로 가까운 곳에 물이 남아 있을 수 있냐는 의문도 나온다. 대체로 항성의 강력한 자외선은 어떤 형태의 물 분자도 파괴해 날려 버리기 때문이다. NASA는 수증기를 둘러싼 우주 먼지와 다른 물 분자들이 방어막 역할을 해줘 이번에 감지된 수증기들이 보존될 수 있지 않았겠냐고 추정하고 있다. NASA는 "앞으로 연구팀은 근적외선 카메라(NIRCam)와 근적외선 분광기(NIRSpec)를 이용해 PDS 70 항성계를 추가로 관측할 계획"이라고 밝혔다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr