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2014년 6월 15일 일요일

태양계 이야기 247 - 실험실에서 재현된 타이탄 대기의 조리법



 토성의 가장 거대한 위성인 타이탄은 지구보다도 더 두터운 대기를 가지고 있습니다. 이 대기의 대부분 (98.4%) 는 질소이지만 나머지 1.6% 는 메탄을 비롯한 다양한 탄화수소가 차지하고 있습니다. 그리고 이 탄화수소는 태양에너지와 반응해서 다양한 화학물질을 만들어 타이탄을 표면을 볼 수 없는 노란색의 공처럼 보이게 만드는 주범입니다. (여기에 대해서는 이전 포스트 http://jjy0501.blogspot.kr/2012/07/97-1.html  참조) 


 이런 다양한 탄화 수소들은 자신만의 독특한 풍미 (flavor) 를 가지고 있다고 할 수 있는데 물론 독특한 향기가 나기는 하겠지만 타이탄까지의 거리를 생각하면 이것을 맛보거나 향을 맡으려는 시도는 사실상 불가능합니다. 하지만 나사의 과학자들이 실험실에서 카시니의 복합 적외선 분광기 (Composite Infrared Spectrometer) 의 데이터를 기반으로 타이탄의 대기의 탄화 수소들을 다시 재현했다고 합니다. 




(In lab experiments NASA scientists matched the spectral signature of an unknown material the Cassini spacecraft detected in Titan's atmosphere at far-infrared wavelengths. The material contains aromatic hydrocarbons that include nitrogen, a subgroup called polycyclic aromatic nitrogen heterocycles.
Image Credit: NASA/Goddard/JPL)


 그 결과 타이탄의 대기속의 화학물질의 상당수는 방향족 화합물 (aromatic compounds : 분자 속에 벤젠 고리를 가진 유기 화합물로 벤젠이나 톨루엔등이 대표적. 독특한 냄새가 나서 방향족이라 불림) 이었다고 합니다. 이 연구팀의 일원인 멜리사 트레이너 (Melissa Trainer, a planetary scientist at NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland) 에 의하면 이제 우리는 타이탄을 뿌옇게 만드는 물질들이 강한 방향성 (strong aromatic character) 를 가지고 있다고 말할 수 있게 되었다고 하네요.  


 사실 과학자들은 타이탄의 독특한 노란색 대기를 만드는 화학물질에 대해서 오랬동안 연구해 왔습니다. 카시니 탐사선이 타이탄에 근접하기 전까지는 매우 제한적인 데이터만으로 연구를 진행해 왔으나 카시니 - 호이겐스 미션 이후에는 타이탄에 대한 지식이 폭발적으로 증가하게 되었습니다. 비록 대기 물질을 직접 채취해서 분석하는 일은 아직까지는 어렵지만 그 파장에 대한 분석은 가능합니다. 그러면 어떤 물질로 구성되어 있는지 대략적인 판단이 가능하죠. 


 연구팀은 이 데이터를 바탕으로 타이탄의 대기 조건과 비슷한 환경에서 다양한 화학물질을 반응시키는 연구를 진행했습니다. 사실 앞서 포스팅에서는 대충 설명했지만 사실 타이탄의 복잡한 탄화수소가 어떤 환경에서 어떤 방식으로 생성되는지는 아직 잘 모릅니다. 연구팀이 취한 방법은 마치 여러개의 다른 재료와 조리법으로 만든 케익을 먹은 후 이전에 먹었던 케이크를 발견해서 역으로 그 케익의 레시피를 알아내는 방식입니다. 


 사실 우리는 이미 타이탄의 탄화수소를 만드는 주 재료를 알고 있습니다. 그것은 타이탄의 대기에서 가장 흔한 질소와 메탄 가스입니다. 그러나 이 두가스를 조합한 조리법으로는 카시니의 관측에서 확인된 본래의 타이탄의 대기를 재현하기 어려웠다고 합니다. 따라서 뭔가 재료 하나가 빠졌다고 결론을 내릴 수 밖에 없었는데 그 재료란 가장 간단한 방향족 화합물인 벤젠 (bezene) 입니다. 벤젠 역시 타이탄에 대기에 풍부하게 존재하고 있는 것이 카시니에 의해서 확인된 바 있습니다. 


 이렇게 세가지 재료를 넣고 다양한 '레시피' 로 반응시킨 결과 결국 과학자들이 찾던 타이탄의 대기와 비슷한 물질이 완성되었다고 합니다. 물론 벤젠이 첨가된 만큼 그렇게 만들어진 화학물질은 방향족 탄화수소가 주종을 이루는데 특히 타이탄의 대기에 질소가 흔하므로 질소를 포함한 방향족 탄화 수소인 polycyclic aromatic nitrogen heterocycles (PANHs) 가 상당수 포함되어 있었다고 합니다.



(토성앞을 지나는 타이탄. 노란색의 공처럼 보이는 이유는 탄화 수소 화합물 때문 This Cassini image from 2012 shows Titan and its parent planet Saturn.
Image Credit: NASA/JPL-Caltech/SSI )      


 사실 아직까지도 타이탄의 복잡한 탄화 수소 대기와 그리고 그것이 액체 상태로 되어 만들어진 강과 호수에 대해서는 모르는 부분들이 많습니다. 태양계 내부에 이렇게 독특한 환경을 지닌 위성은 사실 다른 사례를 찾기가 힘들 정도인데 왜 타이탄에서만 이런 일이 일어났는지, 그리고 타이탄의 대기에서 실제로 어떤 화학 반응이 일어나는지는 앞으로도 흥미로운 연구 과제가 될 것 같습니다. 


 이 연구는 학술지 Icarus 에 실릴 예정입니다. 



 참고


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