우주 최초의 분자, 실험실서 재현했다

독일 연구진, 우주 초기 별 형성 과정 실마리 풀어

과학자들이 우주 최초의 분자 형성 과정을 재현해 우주 초기 별 형성 과정의 비밀을 밝혀냈다고 라이브사이언스, 기즈모도 등 외신들이 4일(현지시간) 보도했다.

보도에 따르면, 독일 막스 플랑크-하이델베르크 핵물리학 연구소 연구진들은 세계 최초로 우주 초기 조건을 모방해 우주 최초의 분자를 재현했다. 해당 연구 결과는 지난 달 말 천문학 및 천체물리학 저널에 실렸다.

독일 연구진이 우주 최초의 분자 형성 과정을 실험실에서 재현했다. (사진=클립아트코리아)

지금으로부터 138억 년 전 빅뱅 직후, 우주는 높은 온도에 노출되어 있다가 온도가 급격히 낮아지면서 수소와 헬륨이 최초의 원소로 형성된 것으로 알려져 있다. 이후 우주에서 최초의 별이 탄생하기까지 수억 년이 더 걸렸는데, 과학자들은 우주에서 별이 생겨나게 된 과정을 오랫동안 연구해왔다.

원시 별이 스스로 에너지를 만들 수 있는 핵융합을 시작하려면, 그 안의 원자와 분자들이 서로 충돌해 열을 방출해야 한다. 이 과정은 1만 도 이하의 온도에서는 거의 효과가 없다고 그 동안 알려져 왔었다.

연구진은 우주 최초의 분자인 ‘수소화 헬륨(helium hydride)’을 실험실에서 재현했다. 연구진은 영하 267도에서 최대 60초 동안 이온을 저장하고 냉각시키며 수소화 헬륨과 중수소(deuterium) 사이의 충돌을 재현하는 실험을 진행했다. 이는 별에서 핵융합을 시작하는 것과 유사한 과정으로 이 충돌이 입자의 온도에 따라 어떻게 달라지는 지를 연구했다.

사진=클립아트코리아

이를 통해 온도가 낮아져도 입자의 반응 속도가 일정하게 유지된다는 것을 발견했다. 이는 이전에 알고 있던 것과는 상반되는 결과다.

이번 실험으로 우주 최초의 분자인 헬륨 수소화물 이온(HeH+)이 낮은 온도에서도 이 과정을 지속할 수 있으며, 이 분자가 초기 우주에서 별 형성에 필수적인 요소일 가능성이 있다는 것을 시사한다고 외신들은 전했다.

홀거 크레겔 독일 막스 플랑크 핵물리학 연구소 연구원은 "이전 이론에서는 낮은 온도에서 반응 확률이 크게 감소한다고 예측했으나 이번 실험과 이론적 계산을 통해 이를 확인할 수 없었다"며, "이온과 다른 원자 사이의 반응은 이전에 생각했던 것보다 초기 우주의 화학 반응에 훨씬 더 중요했던 것으로 보인다"고 밝혔다.