태양계와 지구 생명체의 생성과 진화과정을 규명할 단초가 마련됐다.

서울대학교는 물리천문학부 이정은 교수가 이끄는 국제공동연구팀이 약 537광년 떨어진 태아별 'B335'를 대상으로 생명 발현에 중요한 복합유기분자의 실시간 시계열 변화를 세계 최초로 밝혀냈다고 25일 밝혔다.

연구팀은 이를 위해 고감도·고해상도 전파간섭계(ALMA)를 활용했다. 'B335'의 변화를 대략 10년 간 추적했다.

천체물리 분야에서는 태아별 주변의 화학적 변화에 대한 이론적 예측이 많지만, 관측 장비 한계로 인해 검증 연구는 더디게 진행돼 왔다.

복합유기분자가 태아별에 매우 가까운 영역에서만 기체 상태로 존재하며, 단순 분자들에 비해 신호 세기가 약해 이를 추적하려면 고감도·고분해능의 관측 장비가 필요했다.

연구팀은 ALMA의 탁월한 감도와 고해상도를 활용, 태아별의 폭발적 물질 흡입 과정 중 일어나는 다양한 분자들의 변화를 실시간 정밀 추적했다.

이정은 교수는 "태아별이 변화하고 진화하는 화학현상의 변화를 지켜보는 것 자체가 거대한 화학실험실을 가진 것과 다름없다"고 강조했다.

우주에서 일어나는 화학현상은 지구에서 너무나 먼 곳에서 일어나기 때문에 실시간 직접적인 실험을 통해 연구하거나 구현할 수 없다. 따라서 우주에서 일어나는 화학적 현상은 주로 이론적 수치계산으로 예측해왔다.

연구팀이 연구 모델로 삼은 태아별은 주변 물질을 흡입, 스스로 수소 핵융합을 일으킬 만큼의 질량을 얻어야 독립적인 별로 탄생하는 초기 별이다.

수백만 년에 걸쳐 진화가 이루어지지만, 태아별은 수년에서 수십 년간의 짧은 폭발적 물질 흡입 기간과 약 천 년 정도의 정체 기간을 반복적으로 경험하면서 간헐적으로 성장하는 것으로 알려졌다.

또 물질을 폭발적으로 흡입하는 짧은 시기에는 태아별의 밝기가 증가하며 주위 물질을 가열한다. 이 과정에서 우주먼지 표면에서 생성돼 얼음 상태로 존재하던 복합유기분자들이 기체로 승화하게 된다.

이후 물질 흡입이 줄어들면 태아별 밝기가 어두워지고, 이로 인해 우주먼지 온도가 낮아지면서 복합유기분자는 다시 우주먼지 표면에 응축돼 얼음 상태로 복귀할 것으로 예측돼 왔다.

그러나 이번 연구를 통해 기화된 복합유기분자가 기존의 이론적 예측보다 더 오랜 시간 동안 기체 상태로 존재한다는 사실이 새롭게 밝혀졌다.

이정은 교수는 “대부분의 천문학 연구는 단일 관측 데이터, 즉 스냅샷 형태의 이미지를 기반으로 우주의 긴 시간 동안 일어나는 현상을 물리학적·화학적 이론을 통해 해석해 왔다"고 설명했다.

이 교수는 "우주의 천문학적 시간 규모가 지구에서 인간의 시간 규모와 비교할 수 없을 정도로 길고, 거리가 떨어져 있어 우주 환경을 그대로 재현한 실험실을 구축하는 것이 불가능했다"고 말했다.

이 교수는 "고감도·고해상도 전파간섭계 관측을 통해 얼음 상태의 유기분자가 기화하는 과정을 직접 관측했다"고 부연설명했다.

연구팀은 장기적인 모니터링을 통해 기화된 유기분자가 다시 얼음 상태로 돌아가는 데 소요되는 시간이 기존 예측과 다르다는 점을 확인했다.

이 교수는 "앞으로 이 우주 화학실험실을 계속 추적 관측한다면, 복합유기분자의 상태 변화뿐 아니라 태아별 주변에서 일어나는 화학적·물리적 과정을 실시간 연구할 수 있을 것"으로 내다봤다.

연구진은 앞으로 ALMA를 사용해 이 태아별을 지속 관측함으로써 성간 기체의 냉각 과정, 성간 기체에서의 화학 반응, 그리고 우주먼지 입자와 기체 입자 간 상호작용의 시간적 척도에 대한 이해를 심화시켜 나갈 계획이다.

공동 저자인 미국 텍사스 대학교 오스틴의 닐 에반스(Neal Evans) 교수는 “대략 20년 전 이정은 교수를 지도했다"며 "당시 대학원생이던 이 교수가 1995년 관측된 B335 데이터를 바탕으로 컴퓨터 수치 계산을 이용한 이론 실험을 진행했었다"고 회상했다.

닐 에반스 교수는 "그러나 당시에는 517년 전 B335가 이미 자연 실험을 수행했다는 사실을 알지 못했다. 그 실험 결과가 빛에 담겨 우주를 가로질러 우리에게 도달한 것이 2015년이었다"고 설명했다.

또 다른 공동 저자인 일본 이화학연구소의 야오 룬 양(Yao-Lun Yang) 박사는 “제임스 웹 우주망원경(JWST)를 이용해 B335에서 관측한 얼음 분자 자료를 ALMA로 얻어진 기체 분자 자료와 결합해 분석하면, 복합유기분자의 화학적 특성을 더 깊이 이해할 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

연구 결과는 천체물리학 저널 레터(Astrophysical Journal Letters) 최신호에 게재됐다.