NGC 7027 성운서 우주 첫 분자 '수소화 헬륨' 실제 관측…빅뱅 우주 생성 이론의 증거

(톱스타뉴스 김명수 기자) 우주의 별과 행성. 은하 등 모든 물질의 출발점이 된 빅뱅 뒤의 첫 분자인 수소화 헬륨(HeH+)이 처음으로 우주에서 관측됐다.

연합뉴스에 따르면 수소화 헬륨은 우주생성 이론에서 물질 생성의 첫 고리 역할을 하지만 수십년간의 관측 노력에도 그 존재를 드러내지 않아 천문학자들의 애를 태워온 존재다.

그러나 18일 미국항공우주국(NASA)에 따르면 존스홉킨스대학 데이비드 뉴펠드 교수가 이끄는 연구팀은 백조자리 방향으로 지구에서 약 3천 광년 떨어진 곳에 있는 NGC 7027 성운에서 수소화 헬륨을 관측하는 데 성공했다고 과학저널 '네이처(Nature)'를 통해 밝혔다.

현재의 우주는 별과 행성, 은하로 가득 차 있지만 약 139억년 전 빅뱅 뒤 초기의 뜨거운 우주에는 헬륨과 수소 등 몇 종의 원자만 존재했다.

빅뱅이 이뤄지고 약 10만년쯤 지나 우주의 온도가 내려가면서 원자들이 결합해 분자가 되고 비로소 우주도 모양을 갖춰가기 시작하는데 그 첫 분자가 바로 헬륨과 수소가 결합한 수소화 헬륨일 것으로 추정돼 왔다.

냉각이 진행되면서 수소 원자가 수소화 헬륨 분자와 다시 상호작용을 일으켜 수소 분자가 되고 이 분자가 모여 첫 별을 만들게 된다. 이 별을 통해 탄소와 산소, 질소 등으로 우주의 화학성분도 다양해지며 오늘날의 우주를 구성하게 된다.

하지만 이런 우주생성 과정에서 첫 고리인 수소화 헬륨이 직접 관측되지 않음으로써 우주생성 이론 자체가 흔들릴 판이었다.

과학자들은 1925년 실험실에서 수소화 헬륨 분자를 만들어내 존재를 확인했으며 70년대 말부터 행성 성운인 NGC 7027이 늙은 별에서 나오는 자외선 복사와 열로 수소화 헬륨이 생성되기 적합한 환경으로 판단하고 이를 집중적으로 관찰해 왔다. 

이곳에 수소화 헬륨이 있을 것이라는 단서는 있었지만 여러 분자가 뒤섞여있는 성운 안에서 수소화 헬륨을 식별할 수 있는 장비가 없어 실제 관측으로 이어지지는 않았다.

연구팀은 이에 따라 지난 2016년부터 보잉 747을 개조해 4만5천피트(13.7㎞) 상공에서 지구 대기권의 영향을 받지 않고 천체를 관측할 수 있는 '성층권 적외선 천문대(SOFIA)'를 이용해 왔으며, 최근에는 '그레이트(GREAT)'라는 독일 테라헤르츠 주파수 수신기에 기존에 없던 수소화 헬륨용 채널까지 추가해 관측을 해왔다.

뉴펠드 교수는 AFP통신과의 회견에서 "수소화 헬륨의 관측은 자연의 분자 형성 경향을 극적이고 아름답게 보여줬다"고 했다.

빅뱅 직후 우주가 빠르게 식었다고는 하나 약 4천도에 달해 분자가 형성되기에는 적대적 환경이었고, 헬륨 자체가 불활성 기체여서 다른 원자와 쉽게 결합하지 않는 성향을 가진 것을 설명한 것이다.

그는 수소화 헬륨 분자는 "우주 화학작용의 시작"으로 지구에서 단세포 동물이 다세포 동물로 진화해가는 것과 같은 과정의 첫걸음이라는 말로 우주생성 이론의 딜레마를 해결한 이번 관측의 의미를 설명했다.