(Water vapor in primordial haloes. a,b, Images simulated at 1 kpc distance of water vapor in the 13 M⊙ CC supernova at 90 Myr after the explosion (a) and the 200 M⊙ PI supernova at 3 Myr after the explosion (b). Mass fractions for diffuse water vapor in the haloes vary from 10−14 to 10−12 in the CC supernova and 10−12 to 10−10 in the PI supernova. Dense clumps with much higher water masses are visible as the yellow specks in the centres of both images. Credit: Nature Astronomy (2025). DOI: 10.1038/s41550-025-02479-w)
물은 생명체에 꼭 필요한 물질일 뿐 아니라 우주에 매우 흔한 물질입니다. 과학자들은 태양계 여러 장소 뿐 아나라 멀리 떨어진 성운과 외계 행성에서 수증기의 존재를 확인했습니다.
하지만 그렇다고 해서 우주 초기부터 물이 있었던 것은 아닙니다. 빅뱅 직후 초기 우주에는 아직 수소와 헬륨, 그리고 극소량의 리튬 정도만 존재했습니다. 이보다 무거운 산소 같은 원소들은 무거운 1세대 별이 초신성 폭발과 함께 사라지면서 내놓은 물질입니다. 산소가 생긴 후에야 수소와 결합해 물이 생겨났습니다.
과학자들은 정확히 언제 이런일이 일어 났는지 알기 위해 연구하고 있습니다. 영국 포츠머스 대학의 다니엘 왈렌 (Daniel Whalen)이 이끄는 연구팀은 정교한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 빅뱅 이후 1-2억 년이라는 생각보다 짧은 시기에 물이 형성될 수 있다는 연구 결과를 얻었습니다.
연구팀은 태양 질량의 13배 정도 되는 무거운 별과 태양 질량의 200배 정도되는 아주 무거운 별을 시뮬레이션 했습니다. 후자의 경우 우주의 밀도가 지금보다 훨씬 높았던 빅뱅 직후 우주에 생긴 1세대 별이라고 보고 있으나 최근 연구 결과 1세대 별이 이보다 질량이 작을 수 있다는 주장을 반영한 것으로 보입니다.
연구 결과 두 별에서는 각각 태양 질량의 0.051배와 55배의 산소가 생기는 것으로 나타났습니다. 그리고 태양 질량의 13배 정도되는 별에서는 6000-9000만년 사이 태양 질량의 1억 분의 1에서 1000만 분의 1 정도의 물이 생기는 것으로 나타났습니다. 태양 질량의 200배인 경우에는 300만년 후 태양 질량의 1/1000 정도의 물이 생겨났습니다.
연구팀은 이 연구 결과를 토대로 빅뱅 직후 1-2억 년이라는 상대적으로 짧은 시기에 우주에 물 분자가 존재했을 것으로 보고 있습니다. 이렇게 오래 전부터 물이 있었다면 생명체 역시 오래되었을지 모릅니다. 우주에 인류보다 앞서 문명을 이룩한 외계인이 있지 않을까 하는 생각이 드는 연구 결과가 아닐 수 없습니다.
참고
https://phys.org/news/2025-03-older-thought-key-constituent-galaxies.html
D. J. Whalen et al, Abundant water from primordial supernovae at cosmic dawn, Nature Astronomy (2025). DOI: 10.1038/s41550-025-02479-w
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