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2015년 3월 22일 일요일

태양계 이야기 342 - 지구 질소의 기원은 혜성이 아니다 ?



 로제타 탐사선은 현재도 혜성 67P/Churyumov-Gerasimenko(이하 67P) 주위를 공전하면서 정보를 수집하고 있습니다. 작년에 로제타의 로시나( Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis instrument, ROSINA)가 보내온 데이터를 분석한 과학자들은 지금까지 현상 수배를 해왔던 분자(most wanted molecule)를 발견했다는 사실을 알았습니다. 그 물질은 바로 질소입니다. 


(태양에 가까워지면서 물질을 분출하는 혜성 67P  Gases and dust rise from 'Chury's' surface as the comet is nearing its perihelion. Credit: ESA/Rosetta/NAVCAM


 지구 대기의 78%는 질소입니다. 이 귀중한 기체는 우리가 안전하게 숨쉬고 살 수 있는 환경을 만들어줍니다. 만약 산소가 78%라면 작은 불꽃 하나에도 모든 것이 불타버릴 것입니다. 반면 이산화탄소가 78%라면 금성보다 약간 덜 더운 수준으로 지구가 뜨거울 것입니다. 하지만 지구 대기 중에는 다른 물질과 잘 반응하지 않는 기체인 질소가 78%입니다. 따라서 지금같이 지표면에도 생명체가 번성하는 행성이 될 수 있었습니다.

 지구상의 물과 마찬가지로 질소 역시 그 기원이 혜성이 아닐까하는 추정은 이전부터 있었습니다. 하지만 과학자들은 혜성에 포함된 질소의 양과 동위원소 비중을 알 수가 없었습니다. 로제타가 혜성 67P를 관측하기 전까지는 말이죠. 

 스위스 베른 대학의 마틴 루빈(Martin Rubin of the University of Bern)은 로제타의 로시나 관측 기기가 2014년 10월 17일에서 23일 사이 관측한 데이터를 바탕으로 마침내 질소의 존재를 밝혀낼 수 있었습니다. 그리고 그 관측 결과에 의하면 적어도 67P와 같은 카이퍼 벨트 기원 혜성은 지구 질소의 기원이 아닌 것 같다고 합니다. 이는 이 혜성 그룹이 지구 물의 기원이 아닌 것 같다는 이전 연구 결과와 비슷한 결과입니다. 



(First detection of molecular nitrogen at a comet. Credits: Spacecraft: ESA/ATG medialab; comet: ESA/Rosetta/NavCam - CC BY-SA IGO 3.0; Data: Rubin et al. (2015))

 로시나가 관측한 질소의 양은 기대했던 것 보다 매우 적었습니다. 그 양은 태양계를 만들었던 성운에 있다고 기대하는 양의 25분의 1에 불과했습니다. 이는 이 혜성이 형성될 무렵 질소를 포함하기 매우 어려운 환경이었다는 것을 시사하고 있습니다. 과학자들은 일산화탄소(CO)의 농도와의 비교를 통해서 아마도 이 혜성이 -220°C 에서 -250°C 정도의 낮은 온도에서 형성되었을 것으로 추정했습니다. 

 아무튼 이 혜성에는 지구 대기에 풍부한 질소를 공급할만큼의 질소가 없다는 것이 확실해졌습니다. N14/N15 동위원소 비교 역시 이 혜성과 같은 그룹의 혜성은 지구 질소의 기원이 되기 어렵다는 것을 지지하고 있습니다. 그렇다면 과연 어디서 질소가 온 것일까요? 지구 내부에서 나왔을 가능성이 가장 유력해보이지만 더 많은 연구가 필요해보입니다. 

 지구가 왜 물과 질소가 풍부한 행성이 되었는지 알아내는 것은 지구 생명체의 진화를 이해하는 데 반드시 필요합니다. 이것은 동시에 우리 인류가 왜 지금 지구에 있는지를 설명해주는 것이기도 합니다. 그리고 앞으로 어느 외계 행성에 생명체가 살 수 있을지를 예측하는데도 도움이 될 것입니다. 앞으로도 연구는 계속될 것입니다. 

 엉뚱한 결론이지만 most wanted 물질이 질소라고 하니 불현듯 과자 회사 생각이나네요. 정말 질소 없이는 장사가 안되는 분야 중 하나인데.... 


 이 연구는 사이언스에 실렸습니다. 

 참고 



Journal Reference:
  1. M. Rubin, K. Altwegg, H. Balsiger, A. Bar-Nun, J.-J. Berthelier, A. Bieler, P. Bochsler, C. Briois, U. Calmonte, M. Combi, J. De Keyser, F. Dhooghe, P. Eberhardt, B. Fiethe, S. A. Fuselier, S. Gasc, T. I. Gombosi, K. C. Hansen, M. Hassig, A. Jackel, E. Kopp, A. Korth, L. Le Roy, U. Mall, B. Marty, O. Mousis, T. Owen, H. Reme, T. Semon, C.-Y. Tzou, J. H. Waite, P. Wurz. Molecular nitrogen in comet 67P/Churyumov-Gerasimenko indicates a low formation temperature. Science, 2015 DOI: 10.1126/science.aaa6100


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