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우주화학

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목차

1. 개요

우주화학은 우주의 화학적 조성을 연구하는 학문으로, 1938년 빅터 골드슈미트의 연구를 통해 현대 우주화학의 기초가 마련되었다. 1950년대와 1960년대에는 해럴드 유리 등이 참여하여 원소의 기원과 별의 화학적 풍부도에 대한 연구가 진행되었으며, 질량 분석법 발달로 운석 내 동위원소 분석이 가능해졌다.

우주화학 연구는 운석 및 혜성 연구, 천체 망원경을 이용한 분광 관측, 행성 및 위성의 조성을 연구하는 방식으로 이루어진다. 이를 통해 복잡한 유기 화합물, 생명체 구성 요소, 생명체의 기원 등에 대한 다양한 연구 결과가 도출되었으며, 우주 진화 연구에도 기여하고 있다.

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우주화학
개요
분야화학, 천문학
학문 분야자연과학
관련 학문행성 과학, 지구화학, 우주론, 분광학
상세 내용
정의우주에 존재하는 물질의 화학적 조성 및 그 진화를 연구하는 학문
연구 대상운석
혜성
행성
성간 물질
연구 방법분광학
질량 분석법
화학 분석
역사
초기 연구빅뱅 이후의 원소 생성 연구
발전우주 탐사 기술의 발전과 함께 성장
주요 연구 분야
원소의 기원항성 내부에서의 핵융합 과정을 통한 원소 생성 연구
성간 물질성운 및 분자 구름의 화학적 조성 연구
행성 형성원시 행성계 원반에서의 행성 형성 과정 연구
운석 연구운석의 화학적 조성 및 연대 측정 연구를 통한 태양계 초기 환경 규명
외계 행성 연구외계 행성 대기의 화학적 조성 연구를 통한 생명체 존재 가능성 탐색
연구 방법
분광학천체에서 방출되는 빛의 스펙트럼 분석을 통한 화학적 조성 파악
질량 분석법운석 등 시료의 원소 및 동위 원소 분석
화학 분석시료의 화학적 조성 분석
모델링컴퓨터 시뮬레이션을 통한 우주 화학 반응 예측
응용 분야
태양계 기원 연구태양계 형성 과정 및 초기 환경 규명
생명체 기원 연구생명체 구성 물질의 우주 기원 가능성 연구
우주 탐사행성 탐사선의 화학 분석 장비 개발
관련 용어
지구화학지구의 화학적 조성 및 진화를 연구하는 학문
행성 과학행성의 물리적, 화학적 특성을 연구하는 학문
우주론우주의 기원과 진화를 연구하는 학문
천체물리학천체의 물리적 특성을 연구하는 학문
참고 문헌

2. 역사

1938년, 스위스 광물학자 빅터 골드슈미트와 그의 동료들은 지구와 운석 표본을 분석하여 "우주 존재량" 목록을 작성하였다.[2] 골드슈미트는 지구 암석만으로는 우주의 화학적 구성을 정확히 알 수 없다고 보았고, 외계 물질인 운석을 연구에 포함하였다. 이 연구는 현대 우주화학의 기초가 되었다.[1]

1950년대와 1960년대에 우주화학은 과학으로서 더욱 인정받게 되었으며, 해럴드 유리는 이 분야의 선구자 중 한 명으로 여겨진다.[1] 1956년, 유리와 그의 동료인 독일 과학자 한스 수에스는 운석 분석을 기반으로 동위원소를 포함하는 최초의 우주 존재량 표를 발표했다.[3] 1960년, 존 레이놀즈는 운석 분석을 통해 태양계 원소들이 태양계 자체보다 먼저 형성되었다는 것을 밝혀냈다.[4]

2. 1. 초기 연구 (1930년대 ~ 1960년대)

1938년, 스위스 광물학자 빅터 골드슈미트와 그의 동료들은 지구와 운석 표본 분석을 바탕으로 "우주 존재량" 목록을 작성했다.[2] 골드슈미트는 지구 암석이 지구와 대기의 고유한 과정으로 인해 상당한 화학적 변화를 겪었기 때문에, 운석 구성 데이터를 자신의 표에 포함하는 것이 정당하다고 주장했다. 그는 지구 암석만을 연구해서는 우주의 화학적 구성에 대한 정확한 전반적인 그림을 얻을 수 없다고 보았다. 따라서 더 정확하고 강력한 데이터를 얻으려면 외계 물질도 포함해야 한다고 결론지었다. 이 연구는 현대 우주화학의 기초로 여겨진다.[1]

1950년대와 1960년대에 우주화학은 하나의 과학 분야로 더욱 인정받게 되었다. 우주화학의 선구자 중 한 명으로 널리 알려진 해럴드 유리[1]는 원소의 기원과 별의 화학적 풍부도에 대한 이해로 이어지는 연구에 참여했다. 1956년, 유리와 그의 동료인 독일 과학자 한스 수에스는 운석 분석을 기반으로 동위원소를 포함하는 최초의 우주 존재량 표를 발표했다.[3]

1960년대에 걸쳐, 특히 질량 분석법의 발전으로 분석 기기가 지속적으로 개선되면서, 우주화학자들은 운석 내 원소의 동위원소 존재량에 대한 자세한 분석을 수행할 수 있게 되었다. 1960년, 존 레이놀즈는 운석 내 단수명 핵종 분석을 통해 태양계의 원소들이 태양계 자체보다 먼저 형성되었다는 것을 밝혀냈다.[4] 이는 초기 태양계 과정의 연대기를 확립하기 시작했다.

2. 2. 분석 기술 발전과 새로운 발견 (1960년대 이후)

해럴드 유리(Harold Urey)는[1] 원소의 기원과 별의 화학적 풍부도에 대한 연구를 통해 우주화학 발전에 크게 기여했으며, 1956년에는 그의 동료인 독일 과학자 한스 수에스(Hans Suess)와 함께 운석 분석을 기반으로 동위원소를 포함하는 최초의 우주 존재량 표를 발표했다.[3]

1960년대에는 특히 질량 분석법(mass spectrometry)의 발전으로 분석 기기가 크게 개선되어, 우주화학자들은 운석 내 원소의 동위원소 존재량에 대한 자세한 분석을 수행할 수 있게 되었다. 1960년, 존 레이놀즈(John Reynolds)는 운석 내 단수명 핵종 분석을 통해 태양계의 원소들이 태양계 자체보다 먼저 형성되었다는 것을 밝혀냈고,[4] 이는 초기 태양계 과정의 연대기를 확립하는 데 중요한 기여를 했다.

3. 연구 방법

우주화학의 연구 방법으로는 크게 운석 및 혜성 연구, 천체 망원경을 이용한 분광 관측, 행성 및 위성의 조성 연구가 있다.

2004년, 과학자들은 적외선 분광법을 이용하여 안트라센과 피렌의 자외선 스펙트럼을 붉은 직사각형 성운에서 검출했다.[12] 이는 붉은 직사각형 성운과 같은 유형의 성운이 수명이 다해갈 때, 대류로 인해 성운 중심부의 탄소와 수소가 항성풍에 휩쓸려 방출되고, 이 원자들이 식으면서 다양한 방식으로 결합하여 수십만 개 이상의 원자로 이루어진 입자를 형성한다는 가설을 뒷받침한다.[13] 과학자들은 성운에서 다환 방향족 탄화수소(PAH)를 발견했기 때문에, 이것이 지구 초기 생명체 형성에 필수적이었을 수 있다고 추론했다.[13]

2009년, NASA 과학자들은 혜성에서 생명체의 기본적인 화학 구성 요소 중 하나인 아미노산 글리신을 최초로 확인했다.[14] 2010년에는 성운에서 풀러렌(버키볼)이 검출되었는데,[15] 풀러렌은 생명의 기원과 관련이 있어, "우주에서 온 버키볼이 지구 생명체의 씨앗을 제공했을 가능성이 있다"는 주장이 제기되기도 했다.[16]

2011년, NASA는 운석 연구를 바탕으로, 생명체의 구성 요소인 DNA와 RNA 구성 요소(아데닌, 구아닌 및 관련 유기 분자)가 우주에서 형성될 수 있다는 연구 결과를 발표했다.[6][7][8] 같은 해, 우주 먼지에 복잡한 유기 화합물이 포함되어 있으며, 이것이 항성에 의해 자연적이고 빠르게 생성될 수 있다는 보고도 있었다.[17][18][19]

2012년, 코펜하겐 대학교 천문학자들은 먼 별계에서 글리콜알데히드를 검출했다. 이 분자는 원시별 쌍성계 ''IRAS 16293-2422'' 주변에서 발견되었으며,[20][21] 리보핵산(RNA) 형성에 필요하다. 이는 복잡한 유기 분자가 행성 형성 이전에 별계에서 형성되어, 초기 행성에 도착할 수 있음을 시사한다.[22] 같은 해, NASA 과학자들은 성간 매질(ISM) 조건에서 다환 방향족 탄화수소(PAH)가 수소화, 산소화, 수산화를 통해 더 복잡한 유기 화합물로 변환된다고 보고했다. 이는 아미노산과 뉴클레오티드로 가는 단계이며,[23][24] PAH의 분광법적 특징을 잃게 하여 성간 얼음 입자에서 PAH 검출이 어려운 이유일 수 있다.[23][24]

2013년, 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 전파 간섭계(ALMA 프로젝트)는 성간 공간(ISM)의 얼음 입자에서 DNA 구성 요소의 전구체인 시아노메타나이민과 아미노산 형성 역할을 하는 에탄아민을 발견했다. 이는 화학적 형성 과정이 가스가 아닌 얼음 입자 표면에서 일어났음을 시사한다.[25] NASA ALMA 과학자는 이러한 분자들이 새로 형성된 행성에 '씨앗'을 심을 수 있다고 언급했다.[26]

2014년, NASA는 화성 연구에서 큐리오시티와 오퍼튜니티 로버가 고대 생명체의 증거, 호소 평원을 포함한 과거 거주 가능 환경을 찾을 것이라고 보고했다.[27][28][29][30] 거주 가능성, 타포노미, 유기 탄소 증거 탐색이 NASA의 주요 목표이다.[27] 같은 해, NASA는 우주에서 다환 방향족 탄화수소(PAH)를 추적하기 위한 데이터베이스를 발표했다. 과학자들에 따르면, 우주 탄소의 20% 이상이 PAH와 관련이 있을 수 있으며, 빅뱅 직후 형성되어 우주 전역에 널리 분포하며, 새로운 별과 외계 행성과 관련이 있다.[31]

3. 1. 운석 및 혜성 연구

운석은 우주화학자들이 태양계의 화학적 특성을 연구하는 데 사용하는 가장 중요한 도구 중 하나이다. 많은 운석은 태양계 자체만큼 오래된 물질에서 유래하며, 따라서 과학자들에게 초기 태양 성운에 대한 기록을 제공한다.[1] 탄소질 콘드라이트는 특히 원시적이다. 즉, 45억 6천만 년 전 형성 이후 많은 화학적 특성을 유지하고 있으며,[5] 따라서 우주화학 연구의 주요 초점이다.

가장 원시적인 운석에는 태양계보다 오래된, 태양계를 형성한 먼지의 원료가 된 여러 초신성 잔해에서 직접 유래한, 미량(0.1% 미만)의 전태양계 입자가 포함되어 있는 것으로 밝혀졌다. 이러한 입자는 태양계와는 다른 이국적인 화학적 특성(예: 흑연, 다이아몬드 또는 탄화규소 매트릭스)으로 인식할 수 있다. 또한 종종 태양계(특히 태양)의 다른 부분과 다른 동위원소 비율을 가지고 있으며, 서로 다른 여러 폭발적인 초신성 사건의 근원을 나타낸다. 운석에는 성간 매질의 비기체 원소에서 모인 성간 먼지 입자가 포함될 수도 있으며, 한 종류의 복합 우주 먼지("별 먼지")를 구성한다.[1]

NASA의 최근 연구 결과에 따르면, 지구에서 발견된 운석 연구를 바탕으로, 우리가 알고 있는 생명체의 구성 요소인 DNA와 RNA의 구성 성분(아데닌, 구아닌 및 관련 유기 분자)이 우주에서 외계에서 형성될 수 있다는 것을 시사한다.[6][7][8]

2015년 7월 30일, 과학자들은 로제타 탐사선의 착륙선인 피라이가 혜성 67P/추류모프-게라시멘코 표면에 처음 착륙했을 때, COSAC과 Ptolemy 장비의 측정 결과 16가지의 유기 화합물이 발견되었고, 그중 아세트아미드, 아세톤, 메틸 이소시아네이트, 프로피온알데히드를 포함한 4가지는 혜성에서 처음 발견된 것이라고 보고했다.[9][10][11]

한편, 남극대륙의 빙상에서 발견되는 운석을 분석하거나, 탐사선으로부터 얻어지는 행성 또는 위성의 시료 데이터는 태양계의 기원과 행성계의 진화 과정을 밝히는 데 기여한다. 최근 남극빙상에서 발견된, 그 조성으로 화성 기원임이 밝혀진 운석에서 생물 기원 물질과 매우 유사한 미세 광물이 발견되어 화제가 되었다. 해당 광물은 비생물적으로도 생성될 수 있다는 반론이 제기되어, 반드시 해당 운석이 화성의 생명체 존재를 증명하는 것은 아니지만, 이처럼 우주화학이 가져다주는 성과는 과학의 여러 분야에 기여하고 있다.

3. 2. 천체 망원경을 이용한 분광 관측

광학망원경, 전파망원경, 우주망원경 등의 천체망원경을 이용하여 각 주파수 영역의 스펙트럼을 관측할 수 있다. 이 관측을 통해 천체의 화학적 조성과 온도, 밀도와 같은 물리적 상태를 알 수 있다. 이러한 분석은 실험실에서 수행되는 분광학적 실험 결과를 바탕으로 이루어진다.

전파망원경을 이용한 분자의 순회전 전이 관측은 전이 주파수가 분자 고유의 값이기 때문에, 원자수가 적은 분자의 경우 몇 개의 전이를 관측함으로써 정확하게 분자를 확인할 수 있다. 또한, 특징적인 진동준위 또는 전자상태를 갖는 분자는 광학망원경을 이용한 적외선 또는 자외선·가시광선 스펙트럼 관측을 통해 분자를 확인할 수 있다. 이러한 방법으로 현재 130종 이상(이온 포함, 동위원소 치환체 제외)의 성간분자가 성간 공간에 존재하는 것으로 알려져 있다.

망원경 성능 향상에 따라 이 분야도 발전을 거듭했다. 현재 관측된 분자에는 알코올이나 알데히드와 같은 다양한 유기화합물이 포함된다. 망원경의 성능이 더욱 향상됨에 따라 생명의 기원에 대한 단서가 기대된다.

또한, 관측된 분자 중에는 지구상에서는 불안정하여 일반적으로는 관측하기 어려운 분자가 강한 신호로 관측되는 경우가 있다(예: H3+와 같은 이온이나 HCnN과 같은 라디칼). 이러한 특수한 분자의 조성을 설명하기 위한 화학반응(이온-분자 반응 등)이 연구되어 왔다.

3. 3. 행성 및 위성의 조성 연구

남극 대륙의 빙상에서 발견되는 운석을 분석하거나, 탐사선으로부터 얻어지는 행성 또는 위성의 시료 데이터는 태양계의 기원과 행성계의 진화 과정을 밝히는 데 기여한다. 최근 남극 빙상에서 발견되어, 그 조성으로 화성 기원임이 밝혀진 운석에서 생물 기원 물질과 매우 유사한 미세 광물이 발견되어 화제가 되었다. 해당 광물은 비생물적으로도 생성될 수 있다는 반론이 제기되어, 반드시 해당 운석이 화성의 생명체 존재를 증명하는 것은 아니지만, 이처럼 우주화학이 가져다주는 성과는 과학의 여러 분야에 기여하고 있다.

4. 주요 연구 결과 및 의의

우주화학의 주요 연구 결과는 크게 유기 분자 발견, 생명체 기원 연구, 우주 진화 연구로 나눌 수 있다.
1. 유기 분자 발견


  • NASA는 운석 연구를 통해 DNA와 RNA의 구성 성분인 아데닌, 구아닌 등이 우주에서 형성될 수 있음을 보였다.[6][7][8]
  • 로제타 탐사선의 피라이는 혜성 67P/추류모프-게라시멘코에서 아세트아미드 등 4가지 유기 화합물을 처음 발견했다.[9][10][11]
  • 적외선 분광법으로 안트라센과 피렌의 자외선 스펙트럼이 붉은 직사각형 성운에서 검출되었다.[12]
  • 혜성에서 아미노산 글리신이, 성운에서 풀러렌(버키볼)이 검출되었다.[14][15]
  • 먼 별계에서 글리콜알데히드가 검출되었는데, 이는 리보핵산(RNA) 형성에 필요한 물질이다.[20][21]
  • 성간 매질(ISM) 조건에서 다환 방향족 탄화수소(PAH)는 더 복잡한 유기 화합물로 변환된다.[23][24]
  • 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 전파 간섭계(ALMA)는 성간 공간에서 아데닌 생성에 관여하는 시아노메타나이민과 알라닌 형성에 관여하는 에탄아민을 발견했다.[26]

2. 생명체 기원 연구

  • 운석 연구, 혜성에서 글리신 검출, 성운에서 풀러렌 검출, 글리콜알데히드 검출, 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 전파 간섭계(ALMA)의 전 생명체 분자쌍 발견 등은 우주 공간, 특히 행성 형성 이전에 유기 분자가 형성되어 생명체의 기원에 영향을 줄 수 있음을 보여준다.

3. 우주 진화 연구

  • 적외선 분광법으로 안트라센과 피렌이 붉은 직사각형 성운에서 검출된 것은, 성운에서 다환 방향족 탄화수소(PAH)가 생성된다는 가설을 뒷받침한다.
  • NASA는 우주 먼지에 항성에서 생성된 복잡한 유기 화합물이 포함되어 있음을 보고했다.
  • 성간 매질(ISM) 조건에서 다환 방향족 탄화수소(PAH)가 더 복잡한 유기 화합물로 변환된다는 연구 결과가 발표되었다.
  • 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 전파 간섭계(ALMA)는 성간 공간의 얼음 입자에서 전 생명체 분자 쌍을 발견하여, 화학적 형성 과정이 가스가 아닌 얼음 입자 표면에서 일어났음을 시사한다.
  • NASA는 우주에서 다환 방향족 탄화수소(PAH)를 추적하기 위한 데이터베이스를 발표했으며, PAH는 빅뱅 직후 형성되어 우주 전역에 널리 분포하는 것으로 보인다.
  • 천체망원경을 이용한 스펙트럼 관측으로 천체의 화학적 조성, 온도, 밀도 등의 물리적 상태를 알 수 있으며, 현재 130종 이상의 성간분자가 성간 공간에 존재하는 것으로 알려져 있다.


망원경 성능 향상에 따라 이 분야도 발전을 거듭했다. 현재 관측된 분자에는 알코올이나 알데히드와 같은 다양한 유기화합물이 포함되며, 망원경의 성능이 더욱 향상됨에 따라 생명의 기원에 대한 단서가 기대된다. 또한, 관측된 분자 중에는 지구상에서는 불안정하여 일반적으로는 관측하기 어려운 분자가 강한 신호로 관측되는 경우가 있다(예: H3+와 같은 이온이나 HCnN과 같은 라디칼). 이러한 특수한 분자의 조성을 설명하기 위한 화학반응(이온-분자 반응 등)이 연구되어 왔다. 항성 또는 성간 물질의 조성을 연구하는 것은 대통일장 이론 검증 등 우주물리학에 대한 검증 수단을 제공한다.

4. 1. 유기 분자 발견

NASA의 최근 연구에 따르면, 지구에서 발견된 운석 연구를 바탕으로 생명체의 구성 요소인 DNA와 RNA의 구성 성분(아데닌, 구아닌 및 관련 유기 분자)이 우주에서 형성될 수 있다는 것이 시사된다.[6][7][8] 2015년 7월 30일, 로제타 탐사선의 착륙선인 피라이가 혜성 67P/추류모프-게라시멘코 표면에 처음 착륙했을 때, 16가지의 유기 화합물이 발견되었고, 그중 아세트아미드, 아세톤, 메틸 이소시아네이트, 프로피온알데히드를 포함한 4가지는 혜성에서 처음 발견된 것이라고 보고되었다.[9][10][11]

2004년, 과학자들은 적외선 분광법을 이용하여 안트라센과 피렌의 자외선 스펙트럼을 붉은 직사각형 성운에서 검출했다.[12] 2009년 8월, NASA 과학자들은 최초로 혜성에서 생명체의 기본적인 화학 구성 요소 중 하나인 아미노산 글리신을 확인했다.[14] 2010년에는 성운에서 풀러렌(버키볼)이 검출되었는데,[15] 천문학자 레티지아 스탕헬리니는 "우주에서 온 버키볼이 지구 생명체의 씨앗을 제공했을 가능성이 있다"고 언급했다.[16]

2011년 8월, NASA는 운석 연구를 바탕으로 DNA와 RNA 구성 요소가 우주에서 형성될 수 있다는 연구 결과를 발표했다.[6][7][8] 같은 해 10월, 과학자들은 우주 먼지에 자연적으로 빠르게 생성될 수 있는 복잡한 유기 화합물이 포함되어 있다고 보고했다.[17][18][19]

2012년 8월 29일, 코펜하겐 대학교의 천문학자들은 먼 별계에서 특정한 당 분자인 글리콜알데히드를 검출했다. 이 분자는 지구에서 400광년 떨어진 원시별 쌍성계 ''IRAS 16293-2422'' 주변에서 발견되었으며,[20][21] 리보핵산(RNA) 형성에 필요하다. 이 발견은 복잡한 유기 분자가 행성 형성 이전에 별계에서 형성되어 결국 초기 형성 단계의 젊은 행성에 도착할 수 있음을 시사한다.[22] 같은 해 9월, NASA 과학자들은 성간 매질(ISM) 조건에 노출된 다환 방향족 탄화수소(PAH)가 수소화, 산소화, 수산화를 통해 더 복잡한 유기 화합물로 변환된다고 보고했다.[23][24]

2013년, 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 전파 간섭계(ALMA 프로젝트)는 성간 공간(ISM)의 얼음 입자에서 중요한 전 생명체 분자 쌍을 발견했다. 지구에서 약 25,000광년 떨어진 곳에서 발견된 시아노메타나이민은 아데닌을 생성하고, 에탄아민은 알라닌을 형성하는 데 역할을 하는 것으로 생각된다. NASA ALMA 과학자인 Anthony Remijan은 이러한 분자들이 새로 형성된 행성에 생명체의 화학적 전구체로 '씨앗'을 심을 수 있음을 의미한다고 말했다.[26]

2014년 2월, NASA는 우주에서 다환 방향족 탄화수소(PAH)를 추적하기 위한 데이터베이스를 발표했다. 과학자들에 따르면, 우주 탄소의 20% 이상이 PAH와 관련이 있을 수 있으며, 이는 생명체의 형성에 대한 원료가 될 수 있다. PAH는 빅뱅 직후에 형성된 것으로 보이며, 우주 전역에 널리 분포되어 있다.[31]

4. 2. 생명체 기원 연구

NASA의 연구에 따르면, 지구에서 발견된 운석을 통해 DNA와 RNA의 구성 성분(아데닌, 구아닌 및 관련 유기 분자)이 우주에서 형성될 수 있다는 사실이 밝혀졌다.[6][7][8]

2009년 8월, NASA 과학자들은 혜성에서 생명체의 기본적인 화학 구성 요소 중 하나인 아미노산 글리신을 최초로 확인했다.[14]

2010년에는 성운에서 풀러렌(버키볼)이 검출되었다.[15] 천문학자 레티지아 스탕헬리니는 "우주에서 온 버키볼이 지구 생명체의 씨앗을 제공했을 가능성이 있다"고 언급했다.[16]

2012년 8월 29일, 코펜하겐 대학교 천문학자들은 지구에서 400광년 떨어진 원시별 쌍성계 ''IRAS 16293-2422'' 주변에서 당 분자인 글리콜알데히드를 검출했다.[20][21] 글리콜알데히드는 리보핵산(RNA) 형성에 필요하며, DNA와 기능적으로 유사하다. 이는 복잡한 유기 분자가 행성 형성 이전에 별계에서 형성되어, 초기 형성 단계의 젊은 행성에 도착할 수 있음을 시사한다.[22]

2013년, 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 전파 간섭계(ALMA)는 성간 공간(ISM)의 얼음 입자에서 중요한 전 생명체 분자 쌍을 발견했다. 지구에서 약 25,000광년 떨어진 거대한 가스 구름에서 발견된 시아노메타나이민은 DNA의 "가로대"를 형성하는 뉴클레오베이스 중 하나인 아데닌을 생성한다. 에탄아민은 알라닌 형성에 역할을 하는 것으로 알려져있다. 이전에는 이러한 과정이 별들 사이의 희박한 가스에서 일어난다고 생각했지만, 새로운 발견은 성간 공간의 얼음 입자 표면에서 일어났다는 것을 시사한다.[25] NASA ALMA 과학자 Anthony Remijan은 이러한 분자들이 새로 형성된 행성에 생명체의 화학적 전구체로 '씨앗'을 심을 수 있음을 의미한다고 말했다.[26]

2014년 1월, NASA는 현재 진행 중인 화성 연구에서 큐리오시티와 오퍼튜니티 로버가 자영양성, 화학영양성 및/또는 화학무기자영양성 미생물 기반 고대 생명체의 증거와 과거 거주 가능했을 환경(고대 강이나 호수와 관련된 호소 평원)을 찾을 것이라고 보고했다.[27][28][29][30]

4. 3. 우주 진화 연구

2004년, 과학자들은 적외선 분광법을 이용하여 안트라센과 피렌의 자외선 스펙트럼을 붉은 직사각형 성운에서 검출했다.[12] 이는 붉은 직사각형 성운과 같은 유형의 성운이 수명이 다해감에 따라 대류로 인해 성운 중심부의 탄소와 수소가 항성풍에 섞여 방출되고, 이 원자들이 식으면서 서로 결합하여 수십만 개 이상의 원자로 이루어진 입자를 형성한다는 가설을 뒷받침한다.[13] 과학자들은 다환 방향족 탄화수소(PAH)가 성운에서 필연적으로 생성된다고 추론했다.[13]

2009년 8월, NASA 과학자들은 혜성에서 생명체의 기본적인 화학 구성 요소 중 하나인 아미노산 글리신을 최초로 확인했다.[14]

2010년에는 성운에서 풀러렌(버키볼)이 검출되었다.[15] 풀러렌은 생명의 기원과 관련이 있으며, 천문학자 레티지아 스탕헬리니는 "우주에서 온 버키볼이 지구 생명체의 씨앗을 제공했을 가능성이 있다"고 말했다.[16]

2011년 8월, NASA는 운석 연구를 바탕으로 DNA와 RNA 구성 요소(아데닌, 구아닌 및 관련 유기 분자)가 우주에서 형성될 수 있다는 연구 결과를 발표했다.[6][7][8] 같은 해 10월, 과학자들은 우주 먼지에 항성에 의해 자연적으로 빠르게 생성될 수 있는 복잡한 유기 화합물(혼합된 방향족-지방족 구조를 가진 비정질 유기 고체)이 포함되어 있다고 보고했다.[17][18][19]

2012년 8월 29일, 코펜하겐 대학교 천문학자들은 먼 별계에서 글리콜알데히드를 검출했다. 이 분자는 지구에서 400광년 떨어진 원시별 쌍성계 ''IRAS 16293-2422'' 주변에서 발견되었다.[20][21] 글리콜알데히드는 리보핵산(RNA) 형성에 필요하며, 이 발견은 복잡한 유기 분자가 행성 형성 이전에 별계에서 형성되어 초기 행성에 도착할 수 있음을 시사한다.[22] 같은 해 9월, NASA 과학자들은 성간 매질(ISM) 조건에 노출된 다환 방향족 탄화수소(PAH)가 수소화, 산소화, 수산화를 통해 더 복잡한 유기 화합물로 변환된다고 보고했다.[23][24]

2013년, 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 전파 간섭계(ALMA)는 성간 공간(ISM)의 얼음 입자에서 중요한 전 생명체 분자 쌍(시아노메타나이민, 에탄아민)을 발견했다. 시아노메타나이민은 아데닌을 생성하고, 에탄아민은 알라닌을 형성하는 데 역할을 하는 것으로 생각된다. 이는 화학적 형성 과정이 가스가 아닌 성간 공간의 얼음 입자 표면에서 일어났음을 시사한다.[25] NASA ALMA 과학자인 Anthony Remijan은 이러한 분자들이 새로 형성된 행성에 '씨앗'을 심을 수 있음을 의미한다고 말했다.[26]

2014년 1월, NASA는 화성 연구에서 큐리오시티와 오퍼튜니티 로버가 고대 생명체의 증거와 과거에 거주 가능했을 수 있는 환경을 찾을 것이라고 보고했다.[27][28][29][30] 거주 가능성, 타포노미(화석과 관련), 유기 탄소에 대한 증거를 찾는 것이 현재 NASA의 주요 목표이다.[27] 같은 해 2월, NASA는 우주에서 다환 방향족 탄화수소(PAH)를 추적하기 위한 데이터베이스를 발표했다. 과학자들에 따르면, 우주 탄소의 20% 이상이 PAH와 관련이 있을 수 있으며, 이는 생명체의 형성에 대한 원료가 될 수 있다. PAH는 빅뱅 직후에 형성된 것으로 보이며, 우주 전역에 널리 분포되어 새로운 별과 외계 행성과 관련이 있다.[31]

광학 망원경, 전파망원경, 우주망원경 등의 천체망원경을 이용한 각 주파수 영역의 스펙트럼 관측을 통해 천체의 화학적 조성과 온도, 밀도와 같은 물리적 상태를 알 수 있다. 전파망원경을 이용한 분자의 순회전 전이 관측, 광학망원경을 이용한 적외선 또는 자외선·가시광선 스펙트럼 관측을 통해 현재 130종 이상의 성간분자가 성간 공간에 존재하는 것으로 알려져 있다.

망원경 성능 향상에 따라 이 분야도 발전을 거듭했다. 현재 관측된 분자에는 알코올이나 알데히드와 같은 다양한 유기화합물이 포함되며, 망원경의 성능이 더욱 향상됨에 따라 생명의 기원에 대한 단서가 기대된다. 또한, 관측된 분자 중에는 지구상에서는 불안정하여 일반적으로는 관측하기 어려운 분자가 강한 신호로 관측되는 경우가 있다(예: H3+와 같은 이온이나 HCnN과 같은 라디칼). 이러한 특수한 분자의 조성을 설명하기 위한 화학반응(이온-분자 반응 등)이 연구되어 왔다. 항성 또는 성간 물질의 조성을 연구하는 것은 대통일장 이론 검증 등 우주물리학에 대한 검증 수단을 제공한다.

참조

[1] 서적 Cosmochemistry Cambridge University Press 2010
[2] 서적 Geochemische Verteilungsgestze der Elemente IX Skrifter Utgitt av Det Norske Vidensk. Akad 1938
[3] 학술지 Abundances of the Elements 1956
[4] 학술지 Isotopic Composition of Primordial Xenon 1960-04-00
[5] 학술지 Are Carbonaceous Chondrites Primitive or Processed? A Review 1979-08-00
[6] 학술지 Carbonaceous meteorites contain a wide range of extraterrestrial nucleobases 2011-08-11
[7] 웹사이트 NASA Researchers: DNA Building Blocks Can Be Made in Space http://www.nasa.gov/[...] NASA 2011-08-08
[8] 웹사이트 DNA Building Blocks Can Be Made in Space, NASA Evidence Suggests https://www.scienced[...] 2011-08-09
[9] 뉴스 Philae probe finds evidence that comets can be cosmic labs https://www.washingt[...] 2015-07-30
[10] 웹사이트 Science on the Surface of a Comet http://www.esa.int/O[...] European Space Agency 2015-07-30
[11] 학술지 Philae's First Days on the Comet – Introduction to Special Issue 2015-07-31
[12] 잡지 Space molecules point to organic origins https://www.newscien[...] 2004
[13] 학술지 Estimated IR and phosphorescence emission fluxes for specific polycyclic aromatic hydrocarbons in the Red Rectangle 2006
[14] 뉴스 'Life chemical' detected in comet http://news.bbc.co.u[...] BBC News 2009-08-18
[15] 학술지 Formation Of Fullerenes In H-Containing Planetary Nebulae 2010-10-28
[16] 뉴스 Buckyballs Could Be Plentiful in the Universe http://www.universet[...] 2010-10-27
[17] 뉴스 Discovery: Cosmic Dust Contains Organic Matter from Stars http://www.space.com[...] 2011-10-26
[18] 웹사이트 Astronomers Discover Complex Organic Matter Exists Throughout the Universe https://www.scienced[...] 2011-10-26
[19] 학술지 Mixed aromatic–aliphatic organic nanoparticles as carriers of unidentified infrared emission features 2011-10-26
[20] 학술지 Sugar Found In Space http://news.national[...] 2012-08-29
[21] 뉴스 Sweet! Astronomers spot sugar molecule near star http://apnews.excite[...] 2012-08-29
[22] 학술지 Detection of the simplest sugar, glycolaldehyde, in a solar-type protostar with ALMA http://www.eso.org/p[...] 2012
[23] 뉴스 NASA Cooks Up Icy Organics to Mimic Life's Origins http://www.space.com[...] 2012-09-20
[24] 학술지 In-Situ Probing Of Radiation-Induced Processing Of Organics In Astrophysical Ice Analogs—Novel Laser Desorption Laser Ionization Time-Of-Flight Mass Spectroscopic Studies 2012-09-01
[25] 학술지 The Detection of Interstellar Ethanimine (Ch3Chnh) from Observations Taken During the Gbt Primos Survey 2013
[26] 웹사이트 Discoveries Suggest Icy Cosmic Start for Amino Acids and DNA Ingredients https://www.nrao.edu[...] Nrao.edu 2013-02-28
[27] 학술지 Habitability, Taphonomy, and the Search for Organic Carbon on Mars 2014-01-24
[28] 학술지 Exploring Martian Habitability https://www.science.[...] 2014-01-24
[29] Search results Curiosity Mars https://www.science.[...] 2014-01-24
[30] 학술지 A Habitable Fluvio-Lacustrine Environment at Yellowknife Bay, Gale Crater, Mars 2014-01-24
[31] 웹사이트 Need to Track Organic Nano-Particles Across the Universe? NASA's Got an App for That http://www.nasa.gov/[...] 2014-02-21
[32] 서적 学術用語集 天文学編 日本学術振興会


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