우주에서 사라지는 황 찾았다?
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2025-08-13 22:24:13
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- 수십 년 동안 천체화학자들은 우주의 황 부족 현상에 대해 의문을 제기
- 황은 우주에서 10번째로, 지구에서는 5번째로 풍부한 원소
- 팔황화물과 폴리설판의 고체 거대 분자는 얼음상태에서 기체 방출하지 않아 분광 분석으로는 거의 검출되지 않는다.
- 성간 얼음 먼지에 숨겨진 이러한 황 화합물의 양은 상당
황은 우주에서 10번째로 풍부한 원소이며, 지구에서는 5번째로 풍부한 원소다. 별, 행성, 그리고 모든 생명체의 필수적인 구성 요소로 여겨진다. 따라서 별과 행성의 요람에서 이 원소가 부족한 것처럼 보이는 것은 더욱 이상하다. 황소자리 구름과 같은 우주 분자 구름에서 분광 측정은 실제 존재해야 하는 것보다 천 배나 적은 황을 감지한다.
사라진 황은 어디에 있을까?
"이 성간 황 결핍은 천문학과 천체화학에서 수십 년 동안 풀리지 않은 근본적인 문제다"고 하와이 대학교의 아샤니 헤라스와 그의 동료들은 설명했다. 천문학자들은 사라진 황이 성간 먼지 입자의 얼음층에 숨겨져 있을 수 있다고 오랫동안 추측해 왔다. 행성의 구성 요소이자 잠재적인 생명 구성 요소로서 중요한 역할을 하는 다른 분자들도 그곳에서 발견되었다.
그러나 문제는 모델에서는 황화수소(H₂S)와 같은 황 화합물이 성간 얼음층에 존재할 것으로 예측하지만 아직 발견되지 않았다는 것이다. "예를 들어 제임스 웹 망원경으로 탐색하면 산소, 탄소, 질소, 코발트(Co)의 분광 특징은 얻을 수 있지만, 황의 분광 특징은 얻을 수 없다"고 미시시피 대학교의 공동 저자인 라이언 포텐베리는 설명했다.
실험실에서의 성간星間 화학
헤라스와 그의 동료들이 실시한 실험은 이 수수께끼에 대한 해답을 제시한다. 그들은 이를 이용하여 실험실 환경에서 성간 얼음층의 과정을 재현했다. 이를 위해 진공 챔버에 황화수소 가스를 넣고 전체 과정을 절대 영도보다 몇 도 높은 온도로 냉각했다. 이렇게 하면 황화수소가 은박지 위에 얼어붙게 된다.
다음 단계에서 연구팀은 이 얼음에 고에너지 전자나 자외선을 충돌시켰다. 두 가지 모두 우주선의 구성 요소이며 이러한 조건에서 화학 반응에 필요한 에너지를 제공할 수 있다. 그런 다음 연구진은 특수한 질량 분석법을 사용하여 이러한 방사선 조사가 황화수소 얼음에 새로운 분자 형태를 형성했는지 확인했다.
황 크라운과 사슬 분자
실제로 측정 결과, 시뮬레이션된 우주선의 충돌이 얼어붙은 황화수소를 화학적으로 변형시켰음이 밝혀졌다. 이는 반응하여 최대 11개의 황 원자와 수소로 구성된 사슬 모양의 분자인 설판(H2Sn:Sulfuratomes)과 팔황(S8;Octasulfur)을 형성했다. "전자를 조사하자 황화수소의 80%가 설판과 팔황으로 전환되었다"고 헤라스와 동료들은 보고했다.
팔황은 왕관 모양으로 배열된 상호 연결된 황 원자들의 고리로 이루어져 있다. 이 분자들은 지구상에서 특히 안정적이고 풍부한 황의 형태이며 반투명한 황색 결정을 형성한다. 이 8개 원자로 구성된 황 왕관은 최근 소행성 류구(Ryugu)에서 채취한 샘플에서 우주에서 처음으로 발견되었다. 천문학자들은 다양한 유기 분자 및 황 변이체와 함께 류구의 물질에서도 팔황을 발견했다.
황소자리 구름에만 지구 질량의 350배에 달하는 팔황이 존재
현재의 실험은 팔황과 폴리설판이 우주의 차가운 분자 구름에서도 형성될 수 있음을 처음으로 보여준다. "황화수소가 이러한 고분자량의 황 함유 분자로 전환되는 것은 사라진 성간 황에 대한 그럴듯한 설명을 제공한다"고 천체화학자들은 결론지었다. 팔황화물과 폴리설판의 고체 거대 분자는 분자 구름의 얼음 상태에서는 기체를 방출하지 않기 때문에 분광 분석으로는 거의 검출되지 않는다.
그러나 헤라스와 그의 연구팀이 밝혀낸 것처럼 성간 얼음 먼지에 숨겨진 이러한 황 화합물의 양은 상당하다. 황소자리 분자 구름에서만 약 2.1 x 1027kg의 팔황화물이 지난 100만 년에서 200만 년 동안 생성되었을 가능성이 있다. 연구팀은 "이 양은 지구 질량의 350배에 해당한다"고 설명했다. 이는 황 결핍 문제를 해결하기에 충분하다.
분자 구름이 붕괴되어 새로운 별이 생성되면 성간 먼지가 가열되고 폴리설판은 기체 상태가 된다. 연구진은 이렇게 어린 별의 요람에서 전파 망원경을 사용하여 이들의 분광 특징을 관측할 수 있다고 설명했다.
참고: Nature Communications, 2025; doi: 10.1038/s41467-025-61259-2
출처: Nature Communications, 미시시피 대학교
- 수십 년 동안 천체화학자들은 우주의 황 부족 현상에 대해 의문을 제기
- 황은 우주에서 10번째로, 지구에서는 5번째로 풍부한 원소
- 팔황화물과 폴리설판의 고체 거대 분자는 얼음상태에서 기체 방출하지 않아 분광 분석으로는 거의 검출되지 않는다.
- 성간 얼음 먼지에 숨겨진 이러한 황 화합물의 양은 상당
우주 유황 미스터리 해결?
왕관 모양 분자가 성간 분자 구름의 유황 결핍을 설명할 수 있을까?
미스터리한 황 부족:
수십 년 동안 천체화학자들은 우주의 황 부족 현상에 대해 의문을 제기해 왔다. 풍부한 원소인 황은 우주 분자 구름과 별의 요람에서 놀라울 정도로 드물게 발견된다. 이제 한 실험이 그 해답을 제시했다. 연구에 따르면, 사라진 황은 성간 먼지 입자의 얼음층에 숨겨져 있다. 그곳에서 왕관 모양의 팔황과 폴리설페인, 즉 망원경으로는 감지할 수 없는 고체 황 화합물을 형성한다.
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| ▲ 왕관 모양의 분자가 우주의 유황 부족에 대한 미스터리를 해결할 수 있을 것이다. © John McCustion/ 미시시피 대학교 |
황은 우주에서 10번째로 풍부한 원소이며, 지구에서는 5번째로 풍부한 원소다. 별, 행성, 그리고 모든 생명체의 필수적인 구성 요소로 여겨진다. 따라서 별과 행성의 요람에서 이 원소가 부족한 것처럼 보이는 것은 더욱 이상하다. 황소자리 구름과 같은 우주 분자 구름에서 분광 측정은 실제 존재해야 하는 것보다 천 배나 적은 황을 감지한다.
사라진 황은 어디에 있을까?
"이 성간 황 결핍은 천문학과 천체화학에서 수십 년 동안 풀리지 않은 근본적인 문제다"고 하와이 대학교의 아샤니 헤라스와 그의 동료들은 설명했다. 천문학자들은 사라진 황이 성간 먼지 입자의 얼음층에 숨겨져 있을 수 있다고 오랫동안 추측해 왔다. 행성의 구성 요소이자 잠재적인 생명 구성 요소로서 중요한 역할을 하는 다른 분자들도 그곳에서 발견되었다.
그러나 문제는 모델에서는 황화수소(H₂S)와 같은 황 화합물이 성간 얼음층에 존재할 것으로 예측하지만 아직 발견되지 않았다는 것이다. "예를 들어 제임스 웹 망원경으로 탐색하면 산소, 탄소, 질소, 코발트(Co)의 분광 특징은 얻을 수 있지만, 황의 분광 특징은 얻을 수 없다"고 미시시피 대학교의 공동 저자인 라이언 포텐베리는 설명했다.
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| ▲ 약 450광년 떨어진 황소자리 구름처럼 차가운 분자 구름에는 왜 황이 그렇게 적게 포함되어 있을까? © ESA/Herschel; NASA/JPL-Caltech, R. Hurt (JPL-Caltech), CC-by-sa 3.0 IGO |
실험실에서의 성간星間 화학
헤라스와 그의 동료들이 실시한 실험은 이 수수께끼에 대한 해답을 제시한다. 그들은 이를 이용하여 실험실 환경에서 성간 얼음층의 과정을 재현했다. 이를 위해 진공 챔버에 황화수소 가스를 넣고 전체 과정을 절대 영도보다 몇 도 높은 온도로 냉각했다. 이렇게 하면 황화수소가 은박지 위에 얼어붙게 된다.
다음 단계에서 연구팀은 이 얼음에 고에너지 전자나 자외선을 충돌시켰다. 두 가지 모두 우주선의 구성 요소이며 이러한 조건에서 화학 반응에 필요한 에너지를 제공할 수 있다. 그런 다음 연구진은 특수한 질량 분석법을 사용하여 이러한 방사선 조사가 황화수소 얼음에 새로운 분자 형태를 형성했는지 확인했다.
황 크라운과 사슬 분자
실제로 측정 결과, 시뮬레이션된 우주선의 충돌이 얼어붙은 황화수소를 화학적으로 변형시켰음이 밝혀졌다. 이는 반응하여 최대 11개의 황 원자와 수소로 구성된 사슬 모양의 분자인 설판(H2Sn:Sulfuratomes)과 팔황(S8;Octasulfur)을 형성했다. "전자를 조사하자 황화수소의 80%가 설판과 팔황으로 전환되었다"고 헤라스와 동료들은 보고했다.
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| ▲ 팔황은 8개의 황 원자로 구성된 왕관 모양의 화합물이다. © 퍼블릭 도메인 |
팔황은 왕관 모양으로 배열된 상호 연결된 황 원자들의 고리로 이루어져 있다. 이 분자들은 지구상에서 특히 안정적이고 풍부한 황의 형태이며 반투명한 황색 결정을 형성한다. 이 8개 원자로 구성된 황 왕관은 최근 소행성 류구(Ryugu)에서 채취한 샘플에서 우주에서 처음으로 발견되었다. 천문학자들은 다양한 유기 분자 및 황 변이체와 함께 류구의 물질에서도 팔황을 발견했다.
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| ▲ 성간 물질에서 발견된 유황 분자. 원자는 색상으로 구분됩니다: 수소: 흰색, 탄소: 회색, 질소: 파란색, 산소: 빨간색, 황: 노란색, 실리콘: 청록색. (출처: Published: 01 July 2025 Missing interstellar sulfur in inventories of polysulfanes and molecular octasulfur crowns / nature communications) |
황소자리 구름에만 지구 질량의 350배에 달하는 팔황이 존재
현재의 실험은 팔황과 폴리설판이 우주의 차가운 분자 구름에서도 형성될 수 있음을 처음으로 보여준다. "황화수소가 이러한 고분자량의 황 함유 분자로 전환되는 것은 사라진 성간 황에 대한 그럴듯한 설명을 제공한다"고 천체화학자들은 결론지었다. 팔황화물과 폴리설판의 고체 거대 분자는 분자 구름의 얼음 상태에서는 기체를 방출하지 않기 때문에 분광 분석으로는 거의 검출되지 않는다.
그러나 헤라스와 그의 연구팀이 밝혀낸 것처럼 성간 얼음 먼지에 숨겨진 이러한 황 화합물의 양은 상당하다. 황소자리 분자 구름에서만 약 2.1 x 1027kg의 팔황화물이 지난 100만 년에서 200만 년 동안 생성되었을 가능성이 있다. 연구팀은 "이 양은 지구 질량의 350배에 해당한다"고 설명했다. 이는 황 결핍 문제를 해결하기에 충분하다.
분자 구름이 붕괴되어 새로운 별이 생성되면 성간 먼지가 가열되고 폴리설판은 기체 상태가 된다. 연구진은 이렇게 어린 별의 요람에서 전파 망원경을 사용하여 이들의 분광 특징을 관측할 수 있다고 설명했다.
참고: Nature Communications, 2025; doi: 10.1038/s41467-025-61259-2
출처: Nature Communications, 미시시피 대학교
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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