실험실 연구에서는 어떻게 탄소 원자가 성간 얼음 알갱이 표면에서 확산되어 우주 화학의 복잡성을 해결하는 데 중요한 복잡한 유기(탄소 기반) 화합물을 형성하는지 밝혀냈습니다. 직접 관찰 기술의 지속적인 개선 덕분에 우주에서 발견된 유기 분자 목록과 이들이 상호 작용하는 방식에 대한 이해가 꾸준히 확대되고 있지만, 복잡한 과정을 밝히는 실험실 실험도 중요한 단서를 제공할 수 있습니다.
성간 얼음에서 유기 화합물이 형성되는 모습을 예술적으로 묘사한 작품입니다. 출처: 쓰게 마사시
일본 도쿄 대학의 동료들과 협력하는 홋카이도 대학의 연구원들은 Nature Astronomy 저널에 성간 얼음 알갱이에서 탄소 원자의 중심 역할에 대한 새로운 실험실 기반 통찰력을 보고했습니다.
우주에서 가장 복잡한 유기 분자 중 일부는 성간 얼음 입자 표면의 극히 낮은 온도에서 생성되는 것으로 생각됩니다. 이러한 목적에 적합한 얼음 입자는 우주에 풍부하게 존재하는 것으로 이해됩니다.
모든 유기 분자는 결합된 탄소 원자의 골격을 기반으로 합니다. 대부분의 탄소 원자는 처음에는 별의 핵융합 반응을 통해 형성되고, 별이 초신성 폭발로 죽을 때 결국 성간 공간으로 분산됩니다. 그러나 복잡한 유기 분자를 형성하려면 탄소 원자가 얼음 입자 표면에 서로 뭉쳐서 파트너 원자를 만나 화학적 결합을 형성하는 메커니즘이 필요합니다. 새로운 연구는 가능한 메커니즘을 제안합니다.
30켈빈(섭씨 영하 243도/화씨 영하 405.4도) 이상에서는 탄소 원자가 확산되고 서로 결합하여 이원자 탄소 C2를 형성합니다. 출처: MasashiTsuge et al., Nature Astronomy. 2023년 9월 14일
홋카이도 대학 극저온 과학 연구소의 화학자 쓰게 마사시(Masashi Tsuge)는 "우리 연구에서 우리는 실험실에서 실현 가능한 성간 조건을 재현했으며 얼음 입자 표면에서 약하게 결합된 탄소 원자의 확산 반응을 감지하고 C2 분자를 생성할 수 있었습니다. 이원자 탄소라고도 알려진 C2는 두 개의 탄소 원자가 서로 결합된 분자입니다. 그 형성은 성간 얼음 입자에 확산된 탄소 원자가 존재한다는 구체적인 증거입니다."라고 말했습니다.
연구에 따르면 이러한 확산은 30켈빈(섭씨 영하 243도/화씨 영하 405.4도) 이상의 온도에서 발생할 수 있으며, 우주에서는 22켈빈(섭씨 영하 251도/화씨 419.8도)만 있어도 탄소 원자의 확산이 활성화된다는 사실이 밝혀졌습니다.
논문의 제1저자이자 교신저자인 츠즈키 마사시(왼쪽)와 공동저자 와타나베 나오키(오른쪽). 출처: 쓰게 마사시
Zhezhi는 이번 발견이 이전에 간과되었던 화학 공정을 계속해서 탄소 원자를 추가함으로써 어떻게 더 복잡한 유기 분자가 만들어지는지에 대한 설명 틀에 추가했다고 말했습니다. 그는 이러한 과정이 행성이 형성되는 별 주위의 원시행성 원반에서 발생할 수 있다고 믿습니다. 필요한 조건은 소위 반투명 구름에서도 발생하여 결국 별 형성 지역으로 진화할 수 있습니다. 이는 또한 생명을 탄생시킬 수 있는 지구상의 화학물질의 기원을 설명할 수도 있습니다.
생명의 기원에 대한 질문 외에도, 이 연구는 우주 전체에 걸쳐 탄소 기반 화학을 구성할 수 있고 여전히 구성할 수 있는 다양한 화학 반응에 근본적이고 새로운 과정을 추가합니다.
저자들은 또한 우주에서 복잡한 유기 화학 물질의 형성에 대한 현재의 이해를 보다 일반적으로 요약하고 탄소 원자 확산에 의해 유발되는 반응이 현재 상황을 어떻게 변화시킬 수 있는지 고려합니다.