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토성 최대 위성 타이탄의 기묘한 유기물 대기, 형성 과정 밝혀져

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2018년 10월 09일 13:01 프린트하기

토성의 제1위성 타이탄. 표면에 보이는 오렌지색 대기는 수많은 유기물로 구성돼 있다. - 사진 제공 NASA
토성의 제1위성 타이탄. 표면에 보이는 오렌지색 대기는 수많은 유기물로 구성돼 있다. - 사진 제공 NASA

토성에서 가장 큰 위성이자 태양계에서 두 번째로 큰 위성인 ‘타이탄’은 신비로운 오렌지 빛을 내뿜는 짙은 대기로 유명하다. 대기는 메탄을 비롯한 유기물로 가득하다. 표면 온도가 평균 영하 180도에 이를 정도로 혹독하게 추운 타이탄에서 어떻게 이렇게 다양한 유기물이 만들어질 수 있었는지 그 동안 미스터리였는데, 최근 미국 연구팀이 타이탄의 대기를 형성한 화학 반응을 밝히는 데 성공했다.


롱 자오 미국 하와이대 화학과 연구원팀은 미국에너지국(DOE) 로렌스버클리국립연구소 등과 함께 저온에서 복잡한 유기화합물이 형성될 수 있는 화학 반응을 실험과 컴퓨터 시뮬레이션 기술로 밝히고 그 결과를 천문학 분야 국제학술지 ‘네이처 천문학’ 8일자에 발표했다.


연구팀은 여섯 개의 탄소로 구성된 고리 모양의 유기화합물 구조인 ‘벤젠’에 주목했다. 타이탄의 대기에서도 벤젠의 존재가 많이 검출됐는데, 연구팀은 벤젠이 일종의 ‘블록’처럼 다른 많은 복잡한 유기물을 형성하는 역할을 한다고 추정했다. 하나의 화합물 안에 여러 개의 벤젠고리를 지닌 경우 그 유기화합물을 ‘다환방향족탄화수소(PAH)’라고 부르는데, 타이탄에도 많은 PAH가 포함돼 있다.


연구팀은 벤젠 고리 구조 두 개를 지니고 있는 PAH인 ‘나프틸 라디칼(C10H7)’과, 탄소 네 개로 이뤄진 탄수화물인 ‘비닐아세틸렌(C4H4)’을 준비했다. 모두 타이탄에 존재하는 것으로 확인된 유기물이다. 연구팀은 기체 상태의 두 유기물에 로렌스버클리국립연구소가 보유한 진공 자외선 발생기기로 자외선을 가해 화학 반응을 유도했다. 그 결과 벤젠 고리를 세 개 갖는 새로운 PAH인 ‘페난트렌’과 ‘안트라켄’을 만드는 데 성공했다. 특히 이 과정이 많은 에너지가 추가로 필요한 과정이 아니라서, 타이탄처럼 온도가 아주 낮은 상태에서도 충분히 일어난다는 사실을 실험 및 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 확인하는 데에도 성공했다.

 

타이탄의 대기(왼쪽)과, 토성 궤도 위의 타이탄. - 사진 제공 NASA/JPL
타이탄의 대기(왼쪽)과, 토성 궤도 위의 타이탄. - 사진 제공 NASA/JPL

연구팀은 이 반응이 복잡한 타이탄 대기를 만드는 ‘씨앗’ 역할을 했을 것으로 추정했다. 무사히드 아메드 로렌스버클리국립연구소 화학과학부장은 “타이탄 표면에는 PAH가 생각보다 흔하다”며 “이들이 일으키는 반응은 매우 다양하며, 그 결과 점점 더 복잡한 PAH를 만들어져 타이탄 대기를 구성해 왔을 것”이라고 말했다.


연구팀은 이렇게 만들어진 짙은 유기물 대기가 외계 생명체를 탄생시키는 역할도 했을지를 추가로 연구할 계획이다. 타이탄은 온도가 낮지만 액체 메탄이 강과 호수를 형성하고, 때로는 메탄이 증발해 구름을 만들고 비를 뿌리며 마치 지구처럼 ‘물질의 순환’을 보여주는 천체다. 여기에 대기에도 유기물이 풍부해 생명이 탄생할 조건이 갖춰진 것으로 평가 받는다. 카이저 박사는 “타이탄의 극한 환경에서도 생체 분자인 DNA나 RNA와 비슷한 구조의 유기 화합물이 만들어질 수 있는지 추가로 연구할 것”이라고 밝혔다.
 

연구자들이 실험한 유기화합물. 위는 고리를 두 개 지닌 PAH인 나프틸 라디칼, 아래는 비닐아세틸렌. 연구팀은 이 두 유기물이 저온에서 합성돼 더 복잡한 PAH가 될 수 있음을 보였다. - 사진 제공 NASA, JPL, 애리조나대
연구자들이 실험한 유기화합물. 위는 고리를 두 개 지닌 PAH인 나프틸 라디칼, 아래는 비닐아세틸렌. 연구팀은 이 두 유기물이 저온에서 합성돼 더 복잡한 PAH가 될 수 있음을 보였다. - 사진 제공 NASA, JPL, 애리조나대

 

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