다이아몬드부터 생명체까지...탄소의 비밀은 혜성?

[문화뉴스 권성준 기자] 탄소는 생명체의 탄생에 있어서 가장 중요한 원소이다. 탄소는 4개의 최외각 전자를 가지고 있어 여러 원소와 결합하기 좋고 이는 복잡한 유기물을 형성하는데 필수적인 성질이기 때문이다.

탄소는 탄소끼리 모여 결합하더라도 다양한 구조를 가질 수 있는데 이를 동소체라고 한다. 다이아몬드에서 그래핀, 탄소 나노 튜브에 이르기까지 구조만으로도 다양하고 독특한 성질을 가지는 다재다능한 소재로 여길 수 있다.

그런데 이 중요한 탄소가 어떻게 지구에 존재하게 되었는지는 미스터리였었다.

지구는 태양계에서 암석형 행성으로 분류된다. 수성, 금성, 지구, 화성은 태양계에서 비교적 안쪽 궤도를 돌고 있으며 모두 단단한 암석으로 이루어졌다는 공통점이 있어 암석형 행성이라고 불린다.

한편 목성, 토성, 천왕성, 해왕성은 비교적 바깥 궤도를 돌고 있으며 주 성분이 수소와 헬륨으로 이루어진 기체기 때문에 가스형 행성으로 분류된다.

태양에서의 위치에 따라 구성 성분이 다른 이유는 태양계 형성 과정에 있다. 태양은 거대한 초신성이 폭발하고 남은 잔해인 성운이 중력에 의해 수축하면서 탄생했다고 여겨진다.

태양이 형성되면서 태양 자체의 중력으로 주변에 있는 가스들을 잡아당기는데 이때 일직선으로 떨어지는 것이 아니라 회전하면서 잡아당긴다.

회전하면서 잡아당기면 원심 분리기처럼 입자의 질량에 따라 분리가 되는데 이때 무거운 원자들은 태양 주변으로 가벼운 원자들은 태양 멀리 자리하게 된다.

따라서 안쪽에는 무거운 원자들로 이루어진 암석형 행성과 바깥쪽에는 가벼운 원자들로 이루어진 가스형 행성이 분포하게 되는 것이다.

이 형성 모델을 받아들이면 한 가지 문제가 생긴다. 바로 지구에 존재하는 가벼운 원자, 대표적으로 물과 이산화탄소가 지구에 풍부하게 존재한다는 점이다.

태양계가 형성되면서 암석형 행성이 형성되는 부분은 초고온을 띠고 있었기 때문에 탄소와 같은 가벼운 원소들은 전부 목성 너머로 날아갔어야 한다.

또한 태양계 형성 이후에도 암석형과 가스형 사이에 거대한 질량을 가진 목성이 암석형 행성 쪽으로 가벼운 원소가 들어가지 못하도록 차단하는 역할을 하고 있었다.

이 문제에 대한 해답은 지난 2016년 발견된 혜성 '카탈리나'에 있었다.

'카탈리나'가 발견되기 이전부터 혜성의 꼬리에는 대량의 수분이 포함되어 있음이 알려졌었다. 혜성은 실제로는 거의 얼음으로 이루어진 얼음덩어리이며 태양에 가까워지면 얼음이 녹아서 꼬리를 만드는 것으로 알려졌다.

혜성은 해왕성 너머 작은 천체들이 밀집한 카이퍼 벨트 혹은 오르트 구름에서 태양계 안쪽까지 날아오는 것으로 알려져 있다.

카이퍼 벨트나 오르트 구름은 해왕성 보다 더 바깥 영역이기에 가벼운 원소들이 충분히 존재할 수 있었고 실제로 지구의 물은 혜성이 초기 지구와 충돌하면서 분출한 물이라고 생각되었다.

이번에 발견된 '카탈리나'는 혜성의 꼬리에 탄소가 풍부하게 포함된 혜성이었고 이로써 물과 마찬가지로 탄소도 해왕성 너머에서 왔다는 증거가 되었다.

나사의 연구팀은 목성의 공전 궤도가 약간씩 바뀌면서 오르트 구름에 있던 혜성이 태양계 안쪽으로 들어올 수 있었고 지구와 충돌하여 탄소를 공급한 것이라고 설명하였다.