우주화학

운석은 종종 우주화학의 일부로 연구된다.

우주화학(Cosmochemistry)는 , 고대 그리스어 κόσμος(kósmos) '우주' 및 χημεία(khēmeía) '화학'에서 유래) 또는 화학우주론(chemical cosmology)은 우주에 있는 물질의 화학적 구성과 이러한 구성으로 이어진 과정에 대한 연구이다. 주로 운석 및 기타 물리적 샘플의 화학적 조성 연구를 통해 수행된다. 운석의 소행성 모체가 초기 태양 성운에서 응결된 최초의 고체 물질 중 일부라는 점을 감안할 때, 우주화학자들은 일반적으로 태양계 내에 포함된 물체에 관심이 있지만 배타적이지는 않다.

개요

우주화학이란 넓게는 우주(cosmos, universe)의, 좁게는 태양계(solar system)의 화학적 조성에 대해, 그리고 그런 화학적 조성이 생성된 과정에 관해 연구하는 학문이다1). 궁극적으로 태양계 나아가 은하(galaxy)를 구성하고 있는 물질의 기원 및 진화과정을 밝히는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 운석(meteorite), 특히 콘드라이트(chondrit) 및 그 구성 성분의 화학 조성 및 동위원소 조성을 분석하거나 별에서의 핵융합반응(stellar nucleosynthesis)을 포함하여 은하의 화학적 진화 등에 관한 이론적 연구를 수행한다. 지구화학(geochemistry)와 함께 빅터 골드쉬미트(Victor Goldschmidt, 1888년 ~ 1947년) 등에 의해 정립된 학문영역이다. 지구화학이 화학적 연구방법을 통해 지구를 구성하고 있는 물질을 연구하는 학문이라면, 우주화학은 연구영역을 지구 밖으로 확장한 것이라 볼 수 있다. 넓은 의미의 지구화학은 우주화학을 포함한다고 볼 수도 있다.

• 별에서 발견되는 원소: 별의 핵에서는 수소가 헬륨으로 변하는 핵융합 반응이 일어나며, 이 과정에서 에너지가 방출된다.
• 분자 구름: 우주의 거대한 분자 구름은 별과 행성계가 형성되는 장소입니다. 이 구름은 주로 수소 분자로 이루어져 있으며, 복잡한 유기 분자도 발견될 수 있다.
• 생명의 기본 물질: 우주에서 발견되는 유기 분자는 지구상의 생명체와 공통된 화학적 기원을 공유할 수 있다.
• 외계 행성의 대기: 우주 화학은 외계 행성의 대기 조성을 분석함으로써 그곳에 생명체의 존재 가능성을 탐구한다.
• 초신성과 원소 형성: 별이 폭발하는 초신성은 우주에 새로운 원소를 분산시키는 주요 과정 중 하나이다.
• 화학적 다양성: 우주 화학은 우주 공간 내에서 화학적 다양성을 이해하는 데 중요한 역할을 한다.
• 탐사 임무와 실험: 지상 및 우주 기반 관측을 통해 우주 화학자들은 우주의 화학적 구성에 대한 지식을 확장하고 있다.

역사

1938년, 스위스 광물학자 빅토르 골드슈미트(Victor Goldschmidt)와 동료들은 여러 지구 및 운석 샘플을 분석하여 "우주적 풍부도"를 나열한 목록을 작성했다. 골드슈미트는 지구의 암석이 지구 내부와 대기의 과정으로 인해 상당한 화학적 변화를 겪었으므로, 지구 암석만을 연구하는 것은 우주의 화학적 조성에 대한 정확한 그림을 제공하지 못한다고 주장했다. 따라서 외계 물질을 포함해야 보다 정확하고 신뢰할 수 있는 데이터를 얻을 수 있다고 결론지었으며, 이는 현대 우주화학의 기초로 여겨진다.

1950~60년대 동안 우주화학은 과학으로서 더 인정받기 시작했다. 특히, 해롤드 유레이(Harold Urey)는 우주화학의 선구자 중 한 명으로 여겨지며, 원소의 기원과 별의 화학적 풍부도를 이해하는 연구를 진행했습니다. 1956년, 유레이와 그의 동료 한스 수에스(Hans Suess)는 운석 분석을 기반으로 동위원소를 포함한 첫 번째 우주적 풍부도 표를 발표했다.

1960년대에 질량분석기의 발전으로 우주화학자들은 운석 내 원소의 동위원소 풍부도를 정밀하게 분석할 수 있게 되었다. 예를 들어, 1960년 존 레이놀즈(John Reynolds)는 운석 내 단명한 핵종을 분석하여 태양계 내 원소들이 태양계 형성 이전에 만들어졌음을 밝혔으며, 이는 초기 태양계 과정의 시간대를 설정하는 데 중요한 기여를 했다.

우주 화학적 구성

• 원소의 분포: 우주에서 가장 흔한 원소는 수소와 헬륨이다. 이 두 원소는 우주의 초기 단계에서 생성되었다.
• 중원소의 생성: 무거운 원소는 별의 핵에서 일어나는 핵융합 반응을 통해 형성된다.
• 분자의 다양성: 우주 화학적 구성에는 수많은 유기 및 무기 분자가 포함되어 있으며, 이들은 생명체의 기본 물질로 간주된다.
• 천체의 대기: 각 천체의 대기는 그 천체의 화학적 구성에 따라 매우 다를 수 있다.
• 먼지와 얼음: 우주 먼지와 얼음은 복잡한 유기 분자의 형성에 기여할 수 있다.
• 우주에서의 화학 반응: 극한의 온도와 압력 조건 하에서 일어나는 우주의 화학 반응은 지구상에서는 관찰하기 어렵다.
• 연구 방법론: 분광학적 방법을 통해 우주 화학자들은 먼 천체의 화학적 구성을 분석할 수 있다.

운석

운석은 우주화학자들이 태양계의 화학적 성질을 연구하는 데 중요한 도구 중 하나이다. 많은 운석이 태양계와 같은 시기에 형성되었으며, 이로 인해 초기 태양 성운의 기록을 보유하고 있다. 특히 탄소질 콘드라이트는 약 45억 6천만 년 전 형성된 이후 많은 화학적 특성을 보존한 매우 원시적인 물질로, 우주화학 연구의 주요 대상이 된다.

가장 원시적인 운석은 또한 태양계 형성 이전에 존재한 미세한 물질인 선태양(grains)을 포함하며, 이들은 다양한 초신성 폭발에서 공급된 먼지에서 유래한 것으로 여겨진다. 이 입자는 태양계와는 다른 이색적인 화학 성분을 보유하고 있으며, 이로 인해 여러 폭발적 초신성 이벤트에서 온 것으로 추정된다.

혜성

2015년 7월 30일, 과학자들은 필레(Philae) 탐사선이 혜성 67P 표면에 착륙하는 동안 유기화합물 16종을 발견했으며, 이 중 4종은 혜성에서 처음으로 관찰된 아세트아마이드, 아세톤, 메틸 이소시아네이트, 프로피오날데히드를 포함하고 있었다.

우주화학의 연구 대상 및 방법

우주화학이 넓게는 우주를 연구대상으로 하고 있지만, 화학적 연구는 물질의 화학적 조성, 동위원소 조성에 대한 정보가 필요하므로 실험실에서 분석할 시료가 필요하다. 운석이 현재 우주화학에서 가장 중요한 연구 시료이다. 최근에는 제한적이지만 태양계 시료 회수 미션(sample return mission)이 점차 증가하고 있다. 만약 대상이 멀리 떨어져 있다면 의미있는 정밀도와 정확도로 원격탐사(remote sensing)가 가능해야 한다. 분광관측(spectroscopic observation)은 제한적이지만 화학조성과 동위원소 조성에 대한 정보를 제공한다.

운석이 우주화학에 제공하는 정보는 매우 다양하다. 먼저 태양계의 평균조성(solar abundance)은 태양의 광구(photosphere)에 대한 분광관측 결과와 운석 중 CI 콘드라이트 의 화학조성 분석을 결합하여 구해진다. 분광관측치 결과에 비해 실험실에서 CI 콘드라이트를 분석한 결과가 월등히 정밀하고 정확하므로 수소, 헬륨과 불활성기체(noble gas) 등 암석에 결핍된 친기원소(atmophile element)를 제외하면 태양계 평균조성은 CI 콘드라이트 분석에 크게 의존한다. 태양계의 나이 등 태양계 초기에 일어난 사건들의 시기를 정확히 아는 것 역시 운석 내 포함된 방사성 동위원소(radioactive isotope)와 그 딸 동위원소(daughter isotope) 함량에 대한 분석 결과이다. 예를 들어 현재 태양계의 나이로 인용되는 약 45억6천8백만 년은 콘드라이트에 포함된 태양계에서 가장 오래된 고체로 알려진 고칼슘알루미늄포획물(Ca-Al-rich inclusion) 내 우라늄(U)과 납(Pb) 동위원소 분석결과이다. 생명체 탄생의 재료가 되는 유기물의 기원에 대한 연구에도 운석, 특히 콘드라이트에 포함된 다양한 종류의 유기물 연구가 매우 중요하다. 콘드라이트에는 태양계 이전 존재했던 항성의 대기 외곽에서 만들어진 선태양계 광물(presolar grain)이 포함되어 있다. 선태양계 광물에 대한 우주화학적 연구는 별에서의 핵융합반응(stellar nucleosynthesis) 등에 대한 이론적 연구와 상호보완적으로 물질의 기원과 진화에 대한 연구를 이끌고 있다.

연구

2004년, 과학자들은 적색 직사각형 성운에서 방출된 자외선을 통해 안트라센과 피렌의 스펙트럼 신호를 발견했다. 이는 성운과 같은 유형이 수명의 마지막에 가까워지면 대류가 발생하여 성운 중심부의 탄소와 수소가 항성풍에 포획되어 외부로 방출된다는 가설을 확인하는 발견으로 여겨졌다. 이들이 냉각되면서 원자들이 결합해 백만 개 이상의 원자로 이루어진 입자를 형성할 수 있다. 과학자들은 지구 초기 생명 형성에 중요한 역할을 했을 것으로 여겨지는 다환방향족탄화수소(PAHs)가 성운에서 발견된 점을 통해 PAHs가 성운에서 비롯된다고 추론했다.

2009년 8월, NASA 과학자들은 혜성에서 생명의 기본적인 화학 구성 요소 중 하나인 아미노산 글리신을 처음으로 확인했습니다.

2010년에는 풀러렌("버키볼")이 성운에서 발견되었으며, 천문학자 레티지아 스탠젤리니에 따르면 "우주에서 온 버키볼이 지구에서 생명의 씨앗을 제공했을 가능성"이 있다.

2011년 8월, NASA의 연구에 따르면 지구에서 발견된 운석에 포함된 DNA 및 RNA의 구성 요소(아데닌, 구아닌 및 유사 유기 분자)가 우주에서 형성될 수 있다는 증거가 확인되었다. 같은 해 10월, 과학자들은 우주 먼지가 복잡한 유기 물질("혼합 방향족-지방족 구조를 가진 비정질 유기 고체")을 포함하며, 이는 별에 의해 자연적이고 빠르게 생성될 수 있다고 보고했다.

2012년 8월 29일, 코펜하겐 대학교의 천문학자들은 특정 당 분자인 글리콜알데하이드가 지구에서 약 400광년 떨어진 원시별 쌍성 IRAS 16293-2422 주변에서 발견되었다고 보고했다. 글리콜알데하이드는 DNA와 기능이 유사한 RNA를 형성하는 데 필요하며, 이 발견은 복잡한 유기 분자가 행성 형성 이전에 별 시스템 내에서 형성될 수 있음을 시사한다.

2012년 9월, NASA 과학자들은 PAHs가 성간 매질에서 수소화, 산소화, 수산화 반응을 통해 복잡한 유기물로 변형되어 단백질과 DNA의 원료인 아미노산과 뉴클레오타이드 형성 경로로 발전할 수 있다고 보고했습니다. 이러한 변화로 인해 PAHs가 차가운 밀집 구름의 외부 영역이나 원시행성 디스크의 상부 분자층에 존재하는 성간 얼음 입자에서 검출되지 않을 가능성이 제기되었다.

2013년, 아타카마 대형 밀리미터 배열(ALMA) 프로젝트를 통해 연구자들은 성간 공간의 얼음 입자에서 DNA와 중요한 아미노산 형성에 기여할 가능성이 있는 두 가지 전구체 분자를 발견했다. 이들은 DNA 사다리 모양 구조의 뉴클레오타이드 중 하나인 아데닌을 생성하는 시아노메타니민과 아미노산 알라닌을 형성하는 데 기여할 가능성이 있는 에탄아민을 포함한다. NASA ALMA 과학자인 앤서니 레미잔은 이 분자들이 성간 가스 구름에서 발견되었다는 사실이 DNA와 아미노산의 화학적 전구체가 신생 행성에 "생명의 씨앗"을 제공할 수 있음을 시사한다고 언급했다.

2014년 1월, NASA는 화성 탐사 로버 큐리오시티와 오퍼튜니티가 고대 생명과 관련된 증거와 자가영양, 화학영양 및/또는 화학자영양 미생물 기반의 생물권을 탐색할 예정이라고 발표했다. NASA는 화성의 거주 가능성, 화석 관련 흔적, 유기 탄소의 증거를 찾는 것이 주요 목표임을 명시했다.

2014년 2월, NASA는 우주에서 PAHs를 추적하기 위한 대폭 개선된 데이터베이스를 발표했다. 과학자들에 따르면, 우주 탄생 이후 PAHs는 널리 퍼져 있으며 새로운 별과 외계 행성과도 연관될 가능성이 있다.

참고자료

• "Cosmochemistry", Wikipedia
• 〈우주화학〉, 《두산백과》
• 〈우주화학〉, 《지질학백과》
• 〈우주 화학, 우주 화학적 구성, 천체화학 연구 총 정리〉, 《티스토리》

같이 보기

• 우주
• 화학
• 운석
• 태양계
• 혜성
• 천체화학
• 지구화학

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