“수소 풍부한 행성은 스스로 물 만들어 낼 수 있다”

美 연구팀 네이처에 발표
녹은 암석-수소 만나 반응할 때
방출된 산소-수소 결합 물 생겨
기존 ‘스노라인 생성설’ 뒤집어

물은 행성에서 사람이 살 수 있는지 판단할 수 있는 핵심 조건이다. 해리슨 혼 미국 애리조나주립대 연구원팀이 외계행성에서 암석과 수소의 반응만으로 물이 만들어질 수 있다는 연구 결과를 발표했다. 게티이미지코리아

물은 행성에서 사람이 살 수 있는지 판단할 수 있는 핵심 조건이다. 통상 태양처럼 뜨거운 별에서 멀리 떨어져 있는 지구 같은 행성에서 물이 만들어지기 쉬운 것으로 여겨졌다.

해리슨 혼 미국 애리조나주립대 연구원팀은 외계행성에서 암석과 수소의 반응만으로 물이 만들어질 수 있다는 연구 결과를 지난달 29일(현지 시간) 국제학술지 ‘네이처’에 발표하며 이 같은 통설을 뒤집었다.

2009년 발사된 미국항공우주국(NASA)의 ‘케플러 우주망원경’은 외계에 지구보다 조금 크고 해왕성보다 조금 작은 크기의 ‘외계행성(Sub-Neptune)’이 매우 흔하다는 사실을 발견했다. 외계행성은 크게 수소(H₂)가 많은 ‘건조한 행성’, 지구처럼 물로 둘러싸인 ‘습윤 행성’으로 구분된다.

천문학자들은 케플러 우주망원경이 발견한 습윤 행성은 태양처럼 뜨거운 별에서 멀리 떨어진 ‘스노라인(snow line)’ 외곽에서 생긴 뒤 안쪽으로 이동해 온 것이라고 여겼다. 스노라인은 행성이 만들어지는 원시 행성계 원반 내에서 얼음이 안정적으로 생길 수 있는 경계선이다. 행성이 스노라인 바깥에서 생겨야 얼음이 녹지 않고 남아 물이 생길 가능성이 있기 때문이다.

하지만 연구팀은 이런 통념에 의문을 가졌다. 행성이 스노라인 바깥에서 이동한 것이 아니라 애초에 안쪽에서부터 생겼을 수 있다고 생각한 것이다.

연구팀은 먼저 약 40만 기압, 3000∼4000켈빈(K)의 고온·고압 환경을 만든 뒤 고온·고압 환경에서 규산염, 철 등을 녹인 암석과 수소를 반응시켰다. 녹은 암석이 수소로 둘러싸여 있는 행성 형성 초기의 모습을 구현한 것이다.

그 결과 수소가 규산염을 환원시켜 철-규소 합금과 수소화물이 만들어졌다. 이 과정에서 방출된 산소가 수소와 만나 물이 생성됐다. 최대 질량비 20%에 달하는 물이 만들어졌다. 행성 전체 물질의 질량 중 20%가 물로 만들어질 수 있다는 뜻이다. 기존 저압력 환경에서 실험했던 것보다 물 생성 효율이 2000∼3000배 높았다.

실험 결과를 바탕으로 연구팀이 구체적으로 계산한 결과 지구 질량의 5배, 수소 5% 대기층을 가진 행성의 경우 내부에서 18% 이상의 물이 생성될 수 있었다. 연구팀은 “행성 내부의 대류가 활발할수록 물이 고르게 섞여 대기까지 확산된다”며 “시간이 지나면 수소 대기가 사라지고 남은 물층이 응축돼 행성이 ‘습윤한 초지구형 행성(wet super-Earth)’으로 변할 수 있다”고 말했다.

또 “암석과 수소가 만나 물이 만들어지는 현상은 핵-맨틀 경계처럼 행성 땅 밑의 고압·고온 환경에서 일어날 가능성이 높다”며 “뜨거운 별 주변을 가까이 도는 행성도 얼음이 존재하지 않아도 내부 반응으로 물이 풍부한 행성으로 진화가 가능하다는 것을 보여준다”고 설명했다. 핵과 맨틀의 경계는 아주 높은 압력·온도의 환경이라 실험에서 재현한 반응이 유사하게 일어날 가능성이 높다는 말이다.

연구팀은 이번에 재현한 물 생성 반응은 지구보다 질량이 큰 일부 외계행성에서 수십억 년 동안 일어날 것이라고 추측했다. 반응 속도는 이용 가능한 수소의 양, 핵-맨틀 경계의 온도에 따라 달라진다고 했다.

이번 연구 결과는 수소가 풍부한 외계행성은 시간이 지나면서 스스로 물을 만들어낼 수 있다는 점을 보여준다는 의미가 있다. 습윤 행성이 스노라인 바깥에서 형성돼 안쪽으로 이동해 왔을 것이라는 기존 행성이론을 뒤집는 결과다.



이채린 동아사이언스 기자 rini113@donga.com