[핵잼 사이언스] 우주 대폭발 ‘빅뱅’ 당시 탄생…최초의 분자, 마침내 찾았다

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▲ 행성상 성운 NGC 7027에서 ‘수소 이온화 헬륨’(HeH+·Helium hydride ion)이 발견됐다.(사진=NASA/SOFIA/L. Proudfit/D.Rutter)

과학자들이 마침내 우주의 시발점인 대폭발 즉 빅뱅 당시 형성된 분자를 발견해냈다고 미국 CNN 등 주요외신이 17일(현지시간) 일제히 보도했다.

지금으로부터 약 138억 년 전, 빅뱅이 일어나며 초기 우주가 만들어질 때 그 여파에 의한 화학 반응으로 최초의 분자가 만들어졌다. 이런 분자는 현재 우리가 아는 모든 물질을 만드는 데 결정적인 역할을 했다.
 
‘수소 이온화 헬륨’(HeH+·Helium hydride ion)이라는 이 분자는 지난 몇 년간 우주 최초의 분자로 추정돼 왔다. 하지만 지금까지 과학자들은 그 존재에 관한 어떤 증거도 발견하지 못했었다.

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▲ ‘HeH+’은 수소 이온과 헬륨으로 이뤄진 화합물로 가장 강력한 산 중 하나로 알려졌다.(사진=영국 왕립화학회)

빅뱅 이후 형성된 ‘HeH+’은 수소 이온과 헬륨으로 이뤄진 화합물로 가장 강력한 산 중 하나다. 이 산성 물질이 나중에 수소 분자와 헬륨 원자로 분해됐다는 것이다. 수소와 헬륨은 현재 우주에서 가장 많은 원소로 각각 1, 2위를 차지한다.

과학자들은 1925년 한 실험실에서 HeH+ 분자를 만들어냈고 덕분에 지난 몇십 년 동안 우주에서 이를 찾는 연구가 진행돼 왔다.


연구에 참여한 독일 막스플랑크 전파천문학연구소의 천문학자 롤프 귀스턴 박사는 성명에서 “우주의 화학물질은 HeH+에서 시작됐다. 성간 우주 공간에서 이 물질의 존재에 관한 결정적 증거가 없다는 점은 오랫동안 천문학계의 딜레마였다”고 말했다.

1970년대 말 우주화학 모델을 통해 HeH+ 분자의 발견 가능성이 제기됐다. 이는 과학자들에게 HeH+ 분자가 태양과 같은 별이 초신성 폭발 전 마지막 단계에서 방출한 혼돈 상태의 ‘행성상 성운’에 존재할 수 있다는 생각을 하게 했다.

HeH+ 분자는 온도 10만 ℃ 이상인 별의 방사선이 행성상 성운을 이온화할 때 형성된다. 하지만 가장 강력한 파장으로도 HeH+ 분자의 징후를 감지하는 것은 어려웠다. 지구 대기가 불투명한 탓에 지상의 망원경들로 어려웠기 때문이다.

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▲ 연구진은 성층권 관측 망원경인 소피아(오른쪽)에 탑재된 그레이트(왼쪽) 원적외선 분광기를 사용해 행성상 성운 NGC 7027에서 HeH+ 분자를 검출하는 데 성공했다.

이에 따라 연구진은 보잉 747SP를 개조해 2.5m 구경의 적외선 망원경을 탑재한 미국항공우주국(NASA)의 성층권 관측 망원경인 소피아(SOFIA·Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy)를 사용했다. 소피아에 탑재된 그레이트(GREAT·German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies)라는 이름의 고해상도 원적외선 분광기가 행성상 성운 NGC 7027에서 HeH+ 분자를 검출하는 데 성공한 것이다.


이에 대해 연구에 참여한 미국 존스홉킨스대학의 데이비드 뉴펠드 물리천문학부 교수는 “HeH+ 분자의 발견은 분자를 형성하려고 하는 자연의 성향을 극적이고 아름답게 보여주는 것”이라고 말했다.

자세한 연구 성과는 세계적인 학술지 ‘네이처’(Nature) 최신호(17일자)에 실렸다.



윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr
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