물의 원천은 별들 사이에 존재하는 구름들이다. 그런데 태양도 이 물들을 완전히 다 말라빠지게 만들진 못했다. 한 과학자 연구에 따르면, 현재 지구 바다 절반 정도의 물은 태양 나이보다 더 많을 수 있다고 한다. (과학자: Ilsedore Cleeves, an astrochemist at the University of Michigan in Ann Arbor,)
- 태양이 그 물들을 완전히 싹 다 말라 빠지게 만들지는 않았다. 왜? 어떻게 해서 이런 일이?
연구 과정: 태양계를 형성시킨 가스와 먼지 디스크 조건들을 재구성해봤다. 그 결과, 태양계 안 지구와 다른 행성들에 존재하는 물의 기원은 가스 구름들인데, 태양이 바로 이 가스 구름으로부터 46억년 전에 태어났다는 것이다. 그러니까 물을 탄생시킨 것은 가스 구름이고, 또 이 가스 구름에서 태양이 태어났으니까, 물이 태양보다 먼저 태어난 형/누나라는 결론이다.
이 주장을 한 과학자들은 바로 이 별들 사이에 존재하는 물은 우리 태양계 별들이 태어날 때도, 그리고 지구와 같은 다른 행성들의 탄생시에도 있었을 것이고 주장한다.
별들을 탄생시킨 우주 속 가스와 먼지로 구성된 짙은 구름 안에는 엄청난 양의 얼음 알갱이가 있는데, 바로 이것이 물의 근원이다.
별이 최초로 불꽃을 튀기며 탄생할 때, 그 별 주변 구름 둘레에 열을 뿜어내고 복사에너지를 방출한다. 이 때 그 구름 안에 얼음 알갱이들을 녹여서 증기로 만들고, 물 분자들을 산소와 수소로 분리한다.
지금까지 과학자들이 이 ‘나이 많은’ 물이 이러한 별의 탄생 과정에서 얼마나 많이 저장되는지를 정확히 알지 못했다. 만약 이 최초 물 분자 대부분이 분리된다면, 물은 초창기 태양계에서 그 성질이 변화했을 것이다. 그러나 이러한 물 분자 분리를 발생시킨 조건들이 태양계에만 존재할 수 있다. 이런 경우라면 많은 항성계 별들은 건조했을 수 있다고 Ilsedore Cleeves 천문화학자 (미시건 앤 아버 대학)가 주장했다.
그러나 일정량의 물이 별 탄생 과정에서 살아남았고, 태양계 경우가 딱 그러한 사례라면, 물은 “ 행성 형성 과정에서 하나의 보편적인 요소” 라고 Ilsedore (일세도)씨는 말했다.
일세도 클리브와 그녀 동료들이 한 일은? 태양이 불타기 시작한 이후 조건들을 모델링해서,
새로 탄생한 젊은 별로부터 그리고 태양계 바깥으로 태양에 부딪힌 복사 에너지량을 측정했다. 그리고 이 복사 에너지가 얼마나 빠른 속도로 그 가스와 먼지 구름층으로 이동하는지를 측정했다.
이러한 조건들은 물분자들이 어떻게 수소와 산소로부터 형성되는가를 결정한다. 특히 그 물분자들이 중수소(듀테륨), 수소의 동위원소를 포함할 가능성을 결정한다. 그 수소의 핵은 단일 양성자 뿐만 아니라 중성자를 포함하고 있다. 이 모델을 통해서 중수(heavy water)로 알려진, 듀테륨(중수소)-함유 물의 양이 측정될 수 있다. 이 중수는 현재 태양계 물보다 더 낮은 데 존재했다.
(질문: lower 더 낮은 곳이 무슨 말인가?)
그러나 태양과 같은 별을 탄생시킨 이 별들 사이 구름(성간 구름)은 현재 태양계와 비교했을 때 훨씬 더 많은 양의 중수를 포함하고 있었다. 왜냐하면 이 별들 사이에 존재하는 구름들은 우주 빛의 지속적인 폭발(충격)에 노출되어 있기 때문이다. 이 때문에 듀테륨(중수소)를 쉽게 포함시키는 경향이 생겼다.
이런 이유로, 과학자들이 결론 내리기를, 이 젊은 태양 복사 에너지는 현재 태양계에 존재하는 중수의 양을 설명하기에는 불충분하다는 것이다. 뭔가 다른 복사 에너지가 태양 이전에 존재해야 했음에 틀림없다는 것이다. 이 과학자들 측정에 따르면, 현재 지구 바다 30~50% 가량 물은 태양보다 더 나이가 많다는 것이다.
“태양계를 형성시킨 가스/먼지 디스크가 그것을 할 수 없다면, 이게 의미하는 바는, 데튜륨-다량 함유한 별들 사이 얼음 알갱이들은 태양 탄생 조건들로부터 만들어졌을 것이라는 것이다.
네덜란드 라이덴 관측소 천체화학자, 데비네 판 디쇠크는 이 연구 결과가 상당히 좋은 논거를 제시했지만, 아직 이론적인 가설이라고 평가한다. 이 결과가 타당한지는 내년에 가봐야 알 것 같다. 칠레 아타카마 Atacama 사막에 있는 라디오 망원경으로, 원형-행성 디스크 안에 중수의 비율에 기초한 화학과정 연구가 시작될 예정이다.
특정 항성계의 형성이 이미 존재하는 물 전부를 없애지 않는다고 하더라도, 물이 충분히 존재하는 행성이 전 우주에서 흔히 발견되는 정상적인 상태라는 것을 의미하지 않는다. 금성과 수성만 봐도 물이 없고, 화성은 예전에는 물이 있었지만 지금은 대부분 소실되어 버렸다. 아직도 “어떤 별에는 물이 있고 그 물이 보존되고 있는지, 그것을 규정하는 요소들이 무엇인지는 아직도 불투명하고 미래 연구과제이다.” 프랑스 천문학자 Cecilia Ceccrelli 의 말이다.
(번역 by 원시. 2014 oct 2)
소감: 우연 속에서 필연을 설명하기 위한 시도가 과학이다. 필연도 일부 정합적이지만, 전체적인 것은 아니다 늘 부분적이다.
출처 기사
http://www.nature.com/news/earth-has-water-older-than-the-sun-1.16011
Earth has water older than the Sun
Not all water in the Solar System today could have formed here, researchers say.
Article tools
Rights & PermissionsASA/European Space Agency
As much as half of the water in Earth’s oceans could be older than the Sun, a study has found.
By reconstructing conditions in the disk of gas and dust in which the Solar System formed, scientists have concluded that the Earth and other planets must have inherited much of their water from the cloud of gas from which the Sun was born 4.6 billion years ago, instead of forming later. The authors say that such interstellar water would also be included in the formation of most other stellar systems, and perhaps of other Earth-like planets.
The dense interstellar clouds of gas and dust where stars form contain abundant water, in the form of ice. When a star first lights up, it heats up the cloud around it and floods it with radiation, vaporizing the ice and breaking up some of the water molecules into oxygen and hydrogen.
Until now, researchers were unsure how much of the 'old' water would be spared in this process. If most of the original water molecules were broken up, water would have had to reform in the early Solar System. But the conditions that made this possible could be specific to the Solar System, in which case many stellar systems could be left dry, says Ilsedore Cleeves, an astrochemist at the University of Michigan in Ann Arbor, who led the new study.
But if some of the water could survive the star-forming process, and if the Solar System’s case is typical, it means that water “is available as a universal ingredient during planet formation”, she says.
To find out, Cleeves and her colleagues modelled the conditions soon after the Sun lit up. They calculated the amount of radiation that would have hit the Solar System, both from the young star and from outer space, and how far that radiation would have travelled through the cloud.
Those conditions determine how new water molecules form from hydrogen and oxygen, and in particular the odds that the molecules include deuterium, an isotope of hydrogen whose nucleus contains a neutron, in addition to the usual single proton. The model predicted an abundance of deuterium-containing water, also known as heavy water, that was lower than that in the Solar System’s water today.
But the interstellar clouds where Sun-like stars are currently forming — and thus, presumably, the material from which the Sun formed — have a higher proportion of heavy water compared to the current Solar System. This is because these clouds are subject to the continuous bombardment of cosmic rays, which tend to favour the inclusion of deuterium. Therefore, the authors concluded, the young Sun’s radiation was insufficient to account for the amount of heavy water seen in the Solar System today, and some must have existed before. They estimate that somewhere between 30% and 50% of the water in Earth’s oceans must be older than the Sun.
“If the disk can’t do it, that means we must have inherited some level of these very deuterium-enriched interstellar ices from the birth environment of the Sun,” says Cleeves. The study was published in Science on 25 September1.
Ewine van Dishoeck, an astrochemist at the Leiden Observatory in the Netherlands, says that the study’s conclusions are based on good arguments but are still only theoretical. But confirmation could come next year, she adds, when the Atacama Large Millimeter Array, a radio telescope in Chile’s Atacama Desert, begins to study the chemical processes underlying the proportion of heavy water in protoplanetary disks.
Even if the formation of typical stellar systems does not destroy all of the pre-existing water, it does not mean that water-drenched planets need to be the norm throughout the Universe. Venus and Mercury have no water, and Mars seems to have lost most of the water it once had — and it is still unclear what determines whether a planet gets to become wet and to stay that way, says Cecilia Ceccarelli, an astronomer at the Institute of Planetology and Astrophysics in Grenoble, France.
- Nature
- doi:10.1038/nature.2014.16011
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