태양계 탄생 비밀 풀었다...1300광년 거리 암석 이동 과정 규명

태양계 내 암석(규산염) 생성 과정이 세계 처음 관측됐다. 태아별에서 규산염이 어떻게 결정화되고, 이동하는지를 국내 연구진이 규명했다.

연구결과는 세계 3대 학술지 가운데 하나인 네이처에 22일 새벽1시(한국시간)에 게재됐다.

과학기술정보통신부는 서울대학교 이정은 교수 연구팀이 별이 생성될 때 규산염이 결정화되는 과정을 세계 최초로 관측, 입증하는 데 성공했다고 22일 밝혔다.

태아별이 주변 물질을 강착하며, 핵융합을 할 수 있을 정도의 질량으로 성장하는 개념도.(그림=서울대학교)

지구 표면을 구성하는 물질의 90%가 규산염이다. 규산염은 규소(Si) 원자 1개와 산소(O) 원자 4개가 결합한 SiO₄⁴⁻ 사면체로, 지구형 행성과 혜성을 구성하는 핵심 성분이다.

규산염 결정질 형태는 600℃ 이상의 고온 환경에서만 형성되는 것으로 알려져 있다. 그럼에도 극도로 차가운 태양계 외곽에 위치한 혜성에서 결정질 규산염이 발견되면서 태양계 외곽으로 이동 방법에 의문이 제기되어 왔다.

그동안 연구자들은 난류 혼합이나 대규모 물질 이동 등의 가설을 세워 추측해왔다.

이정은 교수는 20여 년간 별이 태어나는 과정을 연구해왔다. 태아별(혜성)의 폭발적 질량 유입이 별 구성 성분에 화학적인 영향을 줄 것으로 예상했지만, 그동안은 이러한 변화를 정확히 관측할 수 있는 감도와 해상도를 가진 망원경이 없었다.

문제 해결의 시작점은 이 교수 연구팀이 국내에서는 유일하게 미국항공우주국(NASA) 제임스 웹 우주망원경 관측 시간을 확보하면서부터다. 연구팀은 지구로부터 1300광년 떨어져 있는 뱀자리 성운의 태아별 'EC 53'에 주목했다. 'EC 53'은 약 18개월 주기로 밝기가 변화하기 때문에 폭발기와 휴지기를 명확히 구분할 수 있는 천체다.

연구팀이 'EC 53' 휴지기와 폭발기에서 각각 관측을 이어가며, 폭발 단계에서만 결정질 광물의 스펙트럼이 검출되는 것을 확인했다. 이는 규산염 결정화가 태아별에 가까운 뜨거운 원반 안쪽에서 실제로 일어남을 의미한다고 연구팀이 설명했다.

서울대 물리천문학부 연구팀. 오른쪽에서 두 번째가 이정은 교수.(사진=서울대학교)

또한, 연구팀은 원반 안쪽에서 생성된 결정질 규산염이 원반풍에 의해 차가운 외곽으로 운반될 수 있다는 것도 밝혀냈다. 원반풍은 가스가 별이나 블랙홀 같은 천체 주위에서 돌며 바깥쪽으로 불어가는 현상이다.

연구팀은 사실 첫 번째 추출한 스펙트럼 비교에서 휴지기와 폭발기 사이에 뚜렷한 차이가 나타나지 않아 크게 실망하기도 했다.

그럼에도 연구팀은 연구를 이어갔고, 두 시기 스펙트럼을 다양한 방식으로 다시 살펴보다 10μm 부근에서 매우 큰 밝기비가 나타나며, 그 스펙트럼의 형태가 약 20년 전 스피처 적외선 우주망원경으로 관측됐던 혜성 규산염 방출 구조와 유사하다는 점을 깨닫게 됐다.

큰 밝기비는 결정질 감람석(Forsterite)과 결정질 휘석(Enstatite)의 특징적인 스펙트럼이다. 반면, 상대적으로 낮은 온도를 추적하는 18μm 대역에서는 결정질 성분이 나타나지 않았다.

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한편 연구팀은 한국천문연구원과 미국 항공우주국(NASA)이 공동 개발해 현재 관측을 수행 중인 스피어엑스(SPHEREx) 우주망원경을 적극 활용할 계획이다. 스피어엑스를 통해 다양한 진화 단계에서 폭발하는 태아별 후보를 선별한 뒤, 이를 제임스 웹 우주망원경(JWST)으로 정밀 관측, 원시행성계원반에서 먼지 입자의 광물학적 변화뿐만 아니라 얼음 성분과 공간 분포가 어떻게 진화하는지를 종합적으로 규명할 계획이다.

이정은 교수는 "결정질 규산염의 생성과 이동 원리를 밝혀낸 세계 최초 결과"라며 "후속 관측을 이어 나가 규산염 결정화와 물질 이동 과정의 보편성과 진화 단계에 따른 의존성을 검증할 계획”이라고 밝혔다.