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태양계 이야기 1203 - 외계 혜성 3I/ATLAS에서 포착된 중수소


 (This artist's impression compares the semi-heavy water content of the interstellar comet 3I/ATLAS (left) and Earth (right). Insets illustrate the relative abundance of deuterated water (HDO) molecules, showing that 3I/ATLAS contains over 30 times more HDO than is found in Earth's oceans. This elevated ratio suggests the comet formed in an extremely cold environment, very different from the conditions that shaped our solar system. Credit: NSF/AUI/NSF NRAO/M.Weiss)

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외계 혜성 3I/ATLAS는 계속해서 과학자들에게 새로운 사실을 보여주고 있습니다. 천문학자들은 칠레 고산 지대에 있는 초대형 전파 망원경 어레이인 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 배열(ALMA)을 이용해 3I/ATLAS가 태양계의 물에 비해 놀라울 정도로 높은 비율의 반중수 (semi-heavy water, HDO)를 지니고 있음을 발견했습니다.

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우주에서 가장 흔한 물질인 수소는 양성자 하나와 전자 하나로 이뤄져 있지만, 중성자가 하나 더 있는 중수소와 두 개 더 있는 삼중수소라는 동위원소를 지니고 있습니다. 중수소는 매우 안정한 동위원소로 대략 수소 원자 6000개 중 하나가 중수소인 반면 삼중수소는 반감기가 12.32년으로 짧아 자연계에는 거의 존재하지 않습니다.

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중수소의 비율은 여러 가지 조건에 따라 바뀔 수 있어 많은 과학적 정보를 제공할 수 있습니다. 물에 있는 중수소도 마찬가지인데, 확률적으로 한 개의 산소 원자에 두 개의 중수소가 붙는 중수보다는 수소와 중수소가 하나씩 붙는 반중수 (HDO)가 더 흔한 존재입니다.

미시간 대학교 박사 과정 학생인 루이스 E. 살라자르 만사노 (Luis E. Salazar Manzano)는 테레사 파네케-카레뇨 (assistant professor Teresa Paneque-Carreño) 교수 지도 하에 ALMA의 아타카마 컴팩트 어레이를 이용해 3I/ATLAS이 태양에 가장 가까이 접근한 지 불과 6일 만에 반중수를 발견했습니다.

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3I/ATLAS는 여러 망원경과 장비로 관측되었지만, 대부분의 장비는 태양을 지나는 상황에서 이를 직접 관측할 수 없습니다. 하지만 ALMA와 같은 전파 망원경은 가능합니다. 연구팀은 혜성이 근일점을 통과한 후 며칠 만에, 태양 뒤로 지나가면서 모습을 드러내는 순간을 관측해 상당히 많은 반중수의 존재를 확인했습니다.

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반중수나 중수처럼 중수소화된 물은 지구와 우리 태양계 내 혜성에서도 발견되지만, 그 비율은 태양계 형성 당시의 온도와 방사선 조건에 따라 결정됩니다. 우리 태양계 혜성에는 일반적으로 일반 물 분자 1만 개당 중수소화된 물 분자가 약 1개 정도 존재합니다.

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하지만 연구팀이 3I/ATLAS 의 HDO/H₂O 비율을 관측한 결과, 우리 태양계에서 형성된 혜성에서 발견되는 비율보다 30배 이상, 지구 해양에서 발견되는 비율보다 40배 이상 높은 반중수를 지니고 있었습니다.

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기본적으로 우주에 존재하는 중수소와 수소의 존재 비율은 빅뱅 자체에서 결정됩니다. 하지만 이 중수소가 산소 원자와 만나 중수나 반중수를 생성하는 화학적 과정은 온도에 매우 민감하며, 주로 약 30K(켈빈)보다 낮은 매우 극저온 환경에서 주로 생성됩니다. 3I/ATLAS의 HDO/H₂O 비율이 이렇게 높은 것은 이 혜성이 매우 낮은 온도와 특정한 방사선 조건 하에서 형성되었음을 시사합니다.

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이 외계 혜성은 우리 은하계의 먼 곳에서 우리 태양계보다 더 이전에 형성되었을 것으로 추정됩니다. 그리고 이번 연구를 통해 매우 차가운 곳에서 형성되었다는 사실도 추가로 알게 됐습니다. 그리고 은하계 먼 곳에서는 화학적인 조성이 태양계와 좀 다를 가능성도 있다는 점을 보여줬습니다.

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아직도 더 많은 미스터리가 남아 있지만, 앞으로 외계 혜성들을 이런 식으로 조사하면서 우리는 은하계 먼 곳까지 가지 않아도 각각의 화학적 구성과 생성 환경에 대한 단서를 얻을 수 있을지 모릅니다. 이번 연구 결과는 네이처 천문학 (Nature Astronomy)에 발표되었습니다.

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참고

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https://phys.org/news/2026-04-3iatlas-semi-heavy-comets-solar.html

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Luis E. Salazar Manzano et al, Water D/H in 3I/ATLAS as a probe of formation conditions in another planetary system, Nature Astronomy (2026). DOI: 10.1038/s41550-026-02850-5

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