시드니 대학교에서 한 학생이 실험실에서 우주 먼지를 만들어 생명의 기원에 대한 새로운 통찰을 제공했다.

시드니 대학교에서 재료 및 플라즈마 물리학 박사 과정을 밟고 있는 로수르도는 간단한 기체와 전기를 이용하여 별과 초신성 주변에서 흔히 볼 수 있는 조건을 재현함으로써 극소량의 우주 먼지를 생성했습니다.

우주의 일부를 병 속에 재현한다는 것은 공상 과학처럼 들릴지 모르지만, 린다 로수르도는 바로 그것을 해냈습니다.

우주 먼지는 우주의 필수 구성 요소이며, 별 형성 과정에 관여하고 생명의 기본 구성 요소인 유기 분자의 생성을 촉진하는 촉매 역할을 합니다. 먼지는 별들 사이의 광활한 공간인 성간 공간에 풍부하게 존재하며, 혜성과 소행성에도 포함되어 있습니다. 하지만 지구에서 우주 먼지를 연구하는 것은 쉽지 않습니다. 우주에서 날아오는 입자와 암석들이 끊임없이 지구에 충돌하지만, 대부분은 대기 중에서 타버리기 때문입니다. 운석 형태로 남아 있는 극소량의 먼지조차도 발견하고 수집하기가 매우 어렵습니다.

로수르도는 실험실에서 우주 먼지를 만들어냄으로써 과학자들이 지구상에 생명이 어떻게 시작되었는지 이해하는 데 도움이 될 추가적인 도구를 제공하고자 한다고 말했습니다.

"생명의 기원과 같은 중요한 질문을 다룰 때는 구성 요소가 어디에서 시작되었는지 살펴봐야 합니다."라고 그녀는 말했습니다. "지구상의 모든 탄소는 어디에서 시작되었고, 아미노산과 같은 구성 요소로 만들어지기까지 어떤 여정을 거쳐야 했을까요?"

아미노산은 지구상에 가장 초기에 나타난 분자 중 하나이며 단백질 형성을 포함한 대부분의 생명 과정과 관련이 있습니다. 하지만 아미노산이 지구에서 형성된 것인지 아니면 우주에서 유래한 것인지에 대한 큰 의문이 있다고 로수르도는 말했습니다.

우주 먼지 유사체를 제작하면 연구자들이 우주 표본에만 의존하지 않고도 지구 생명체 탄생으로 이어진 중요한 화학적 과정에 대한 이러한 질문들을 비롯한 여러 질문을 조사하는 데 도움이 될 수 있습니다.

"운석이 떨어지는 데는 아주 오랜 시간이 걸리고, 먼지를 모으는 것조차 매우 어렵습니다. 하물며 거대하고 죽어가는 늙고 별 근처에서 먼지를 모으는 것은 더욱 어렵죠."라고 지난주 미국 천문학회 천체물리학 저널에 연구 결과를 발표한 로수르도는 덧붙였다 . "그러니 연구할 만한 무언가가 있어야 합니다. 비록 아주 작은 양일지라도, 그것으로부터 훨씬 더 많은 정보를 얻을 수 있습니다."

 

이번 연구에 참여하지 않은 스코틀랜드 헤리엇-와트 대학교의 화학 물리학 교수인 마틴 맥쿠스트라는 우주 먼지의 형성과 본질을 탐구하는 것은 생명 기원의 역사에서 매우 중요한 부분이라고 말했습니다.

맥쿠스트라는 이메일을 통해 "화학적 복잡성은 먼지 입자에 침착된 수소 원자, 일산화탄소, 물 및 몇 가지 작은 분자로 이루어진 매우 단순한 초기 화학 반응에서 진화했다"라고 밝혔습니다. 그는 또한 "이러한 진화 과정은 실험실에서 재현될 수 있다"라며 이번 연구가 설득력 있다고 평가했습니다.

콜로라도 볼더 대학교 물리학과 교수인 토빈 문샛에 따르면, 연구진은 우주 유기물질의 가능한 형성 과정을 재구성하기 위해 독창적인 기술을 사용했습니다.

"궁극적으로 실험실 연구의 핵심은 통제된 조건에서 유사 환경을 재현하여 이를 통해 자연계를 이해하는 것입니다."라고 이번 연구에 참여하지 않은 문샛은 이메일을 통해 전했습니다.

문샛은 이번 결과가 궁극적으로 생명에 이바지하는 원료 물질이 형성되는 환경의 에너지 변화에 따라 형성된다는 가설을 뒷받침한다고 말했습니다. 이러한 사실은 과학자들이 소행성, 혜성, 성간 먼지에서 발견되는 유기 화합물을 단순히 화학적으로 균일한 것으로 취급하는 대신, 그 생성 역사를 재구성할 수 있도록 해줄 가능성이 있습니다.

이번 연구는 망원경 관측과 실험실 분석 사이의 중요한 간극을 메워준다고 예일대학교 지구행성학과 조교수인 다만비어 그레왈은 말했습니다. 그는 이번 연구에 참여하지는 않았습니다.

그레왈은 이메일을 통해 "이번 실험은 우주에서 유기물이 어떻게 진화하는지에 대한 현재 모델을 검증하는 좋은 출발점을 제공한다"라고 덧붙였습니다.

"이번 연구 결과는 복잡한 유기 물질이 항성 환경에서 쉽게 형성되며 우리 태양계에만 국한된 것이 아님을 시사합니다."라고 그는 말했습니다. "만약 이러한 물질들이 널리 퍼져 있다면, 생명에 필수적인 화학적 구성 요소들이 은하계 전체의 행성계에 존재할 가능성이 높다는 것을 의미합니다."

 

*데이터베이스 구축
연구진은 다음 단계로 우주 먼지 생성 조건을 바꿔 다양한 유형의 데이터베이스를 구축하는 실험을 진행할 것이라고 밝혔습니다. 로수르도 연구원은 "언젠가는 우리가 만든 먼지가 실제 우주 먼지와 더욱 유사해져 운석과 같은 특정 천체와 '대조'할 수 있기를 바랍니다."라고 말했습니다.

 

로수르도는 우주 먼지를 만들기 위해 질소, 이산화탄소, 그리고 탄소와 수소로 이루어진 무색무취의 기체인 아세틸렌을 사용했습니다. 공동 저자인 시드니 대학교 재료 물리학 교수 데이비드 맥켄지와 함께 유리관의 공기를 진공으로 제거하고 이 기체들을 넣었습니다. 그런 다음 두 사람은 1시간 동안 기체에 1만 볼트의 전기를 가하여 "글로우 방전"이라고 불리는 일종의 플라즈마, 즉 전기적으로 대전된 기체를 만들었습니다.

"기체 자체를 가로질러 회로가 완성되면서 기체가 활성화되고 전자가 방출되어 물질들이 결합하고 응집하려는 환경이 조성됩니다."라고 로수르도는 말했습니다. "이것은 매우 자연스러운 과정입니다. 별 주변에서 확실히 일어나는 현상으로 알려져 있습니다."

그 결과 몇 밀리그램의 "나노 먼지 입자"가 얻어졌다고 그녀는 덧붙였습니다. "이 입자들을 수집하고 분석하는 것은 다소 어렵기 때문에, 저는 이 먼지 입자들이 실리콘 웨이퍼 위에 침착되도록 하는 방법을 사용합니다."라고 그녀는 설명했습니다. "실리콘은 여러모로 훌륭한 소재이며, 웨이퍼 표면의 물질만 관찰하고 실리콘 자체는 ​​관찰할 수 있게 해줍니다."

이 과정의 궁극적인 목표는 우주와 유사한 환경을 재현하는 것이었습니다. 로수르도는 "우리는 자연이 보여주는 모든 복잡성을 완벽하게 재현할 수는 없습니다. 자연은 언제나 우리보다 뛰어날 것입니다."라고 말했습니다. "하지만 우리가 하려는 것은 거대한 별의 외피, 초신성 잔해, 또는 새로운 성운과 같은 환경을 재현할 수 있는 그럴듯한 범위에 도달하는 것입니다."

이렇게 만들어진 인공 먼지는 생성된 직후의 원시 상태의 우주 먼지와 유사합니다. 유기 분자의 촉매가 되거나 혜성과 운석에 박혀 결국 지구에 도달하기까지, 먼지는 여러 화학적 과정을 거치게 됩니다. 따라서 실험실에서 만든 원형 유사체를 통해 과학자들은 먼지의 진화를 이해할 수 있다고 로수르도는 설명합니다.