태양계 밖 외계행성 발견이 늘어나면서 지구가 가진 물(H₂O)이 행성 형성 초기 대기에 풍부했던 수소 분자(H₂)와 용암 바다가 상호 작용해 만들어졌을 수 있다는 새로운 가설이 제기됐다. 약 70%가 바다로 덮인 지구의 엄청난 물은 원래부터 갖고있던 것이 아니라 행성 형성 초기 소행성이나 혜성이 충돌하면서 가져다줬을 것이라는 가설이 힘을 받아왔다.
카네기 과학연구소에 따르면 이 연구소 '지구·행성랩'의 아나트 샤하르 박사가 이끄는 연구팀은 외계행성을 통해 발견된 사실을 토대로 지구의 물이 행성 형성 초기 수소 분자와 용암 바다 간 상호작용을 통해 만들어졌을 수 있다는 연구 결과를 과학 저널 '네이처'(Nature)에 발표했다.
지구는 태양 주변의 원시행성계원반에서 미행성이 충돌하며 점점 커지고 그 열과 방사성 원소로 거대한 용암 바다를 형성했다가 식으면서 무거운 물질이 가라앉고 금속으로 된 핵과 맨틀, 지각 등을 형성한 것으로 제시돼 왔다. 하지만 외계행성이 잇달아 발견되면서 수백만년 밖에 안 된 초기 행성도 수소 분자로 된 대기로 둘러싸여 있을 수 있다는 점이 확인되면서 행성 형성과정에 대한 이해의 폭도 넓어지게 됐다.
연구팀은 이를 토대로 새로운 지구 형성·진화 수리 모델을 개발했으며, 지구 형성 초기에 용암 바다와 수소 분자가 주성분인 대기의 상호작용으로 풍부한 물과 맨틀의 산화 작용 등 지구의 특징적 형태가 나타났다는 점을 제시했다.
연구팀은 총 25개 화합물과 18가지 서로 다른 반응을 적용하며 수소와 용암 간 물질 교환을 들여다봤는데, 다양한 가능성을 가진 지구 형성 역사에 관한 귀중한 자료를 얻을 만큼 복잡하기는 해도 해석은 명료했다고 밝혔다. 연구팀은 지구 형성 초기 시뮬레이션에서 대기와 용암 바다 간 상호 작용이 엄청난 양의 수소를 금속 핵과 맨틀의 산화, 물의 생성으로 이동시켰다고 했다.
충돌을 통해 행성의 몸집을 키운 암석에 물이 전혀 없다고 해도 원시 대기의 수소 분자와 용암 바다 간 상호작용이 막대한 양의 물을 만들어낸다고 연구팀은 밝혔다.
연구팀은 지구의 물이 다른 곳에 기원을 두고 있을 수도 있지만 현재 물의 상태를 설명하는 것은 아니라고 했다. 샤하르 박사는 "(수소와 용암 바다 간의 상호작용설은) 지구가 진화해온 여러 가지 가능성을 설명하는 것 중 하나에 불과하지만 지구 형성 역사와 다른 별을 도는 것으로 발견된 외계행성 중 가장 흔한 이른바 슈퍼지구 및 아(亞)해왕성 간의 중요한 연결고리를 만들어주는 것"이라고 했다.
이번 연구는 우리은하에 가장 널리 분포한 슈퍼지구와 아해왕성의 화학적 성분을 규명하고 외계생명체 신호를 포착할 수 있는 틀을 개발하기 위해 샤하르 박사가 주도하는 다기관, 학제 간 프로젝트인 'AEThER'의 일환으로 이뤄졌다.
이 프로젝트는 슈퍼지구 및 아해왕성의 형성과 진화가 대기에 미치는 영향을 이해하면 생명체만 생성할 수 있는 대기 중의 생체 신호를 구분할 수 있을 것이라는 점이 출발점이 됐다. 샤하르 박사는 "점점 더 성능이 강력해지는 망원경으로 천문학자들은 외계행성 대기의 구성을 이전보다 더 상세하게 이해할 수 있게 됐다"면서 "AEThER는 다른 세계의 생명체를 찾아낼 수 있는 완벽한 방법으로 이어질 실험과 모델링 자료를 가진 결과를 제공할 것"이라고 했다.