참세상

출처: NASA/ESA/ASI

토성의 작은 얼음 위성인 엔셀라두스(Enceladus)는 태양계 내에서 생명체 존재 가능성을 탐색하는 데 있어 주목받는 천체 중 하나다. 최근 발표된 새로운 연구는 엔셀라두스가 생명체가 존재할 수 있는 환경을 갖춘 천체일 가능성을 뒷받침한다.

이번 연구는 2004년부터 2017년까지 토성을 공전한 NASA의 카시니(Cassini) 탐사선이 수집한 데이터를 바탕으로 진행되었다. 2005년, 카시니는 엔셀라두스의 얼음 껍질 균열에서 간헐천처럼 물 분자와 얼음 알갱이가 끊임없이 분출되는 현상을 발견했다.

가장 최근 연구에서 독일 베를린 자유대학의 노자이르 카와자(Nozair Khawaja)와 연구진은 엔셀라두스 남극에서 수집된 샘플을 재분석하였다.

지금까지 대부분의 고체 입자 분석은 토성의 E고리(E-ring)에서 수행됐다. E고리는 토성을 둘러싼 장엄한 고리계 중 가장 바깥쪽에 있는 희박한 고리로, 엔셀라두스의 분출물로 지속적으로 보충된다. 그러나 이 물질은 방사선에 장기간 노출되어 있어 특성이 변형되었을 가능성이 있다.

카와자 연구진이 분석한 더 젊은 샘플은 카시니가 엔셀라두스 남극을 빠르게 근접 비행(flyby)할 때 수집되었으며, 신선하게 방출된 분출물을 사용함으로써 방사선에 의한 간섭 가능성을 제거하였다.

카시니 초기 샘플 분석에서는 나트륨염이 검출되어, 분출물이 암석질 바닥과 접촉한 액체 상태의 내부 바다로부터 공급되고 있음을 시사했다. 이후 엔셀라두스의 '흔들림'(wobble), 즉 자전축의 미세한 변화 관측을 통해, 얼음 외피가 내부의 암석핵과 완전히 분리되어 있을 가능성이 확인되었다.

이는 엔셀라두스 내부의 바다가 전역적으로 분포하고 있으며, 얼음과 암석 사이에 존재함을 의미한다. 이 바다는 토성의 중력에 의한 조석력(tidal flexing)으로 유지되고 있으며, 이러한 중력의 반복적 인력이 엔셀라두스를 압축하고 당기며 내부 열을 발생시켜 바다의 결빙을 방지하는 것으로 보인다.

이렇게 내부 바다를 간접적으로 샘플링할 수 있는 능력은 엔셀라두스가 생명체 존재에 적합한 조건을 갖추고 있는지에 대해 더 정밀한 연구를 가능하게 했다. 여기에는 에너지원의 존재와 화학 원소의 조합이 포함된다.

분출물 샘플링

카시니 탐사선의 분출물 분석은 질량 분석법(mass spectrometry)을 통해 이루어졌다. 이 과정은 카시니가 초속 수 킬로미터의 속도로 날아가며 고체 분출물과 충돌하면서 시작된다.

충돌 후 물질은 더 작고 전하를 띤 조각들로 분해된다. 그런 다음 전기장에 노출시켜 조각들을 검출기로 이동시킨다.

각 조각이 검출기에 도달한 시간을 통해 질량과 전하를 파악하고, 이를 바탕으로 원래의 분자 구조를 역추적하게 된다.

카시니 탐사선이 엔셀라두스의 분출물을 샘플링하는 모습을 묘사한 예술가의 상상도. 출처: NASA/JPL-Caltech

생명체 존재 가능성을 판단할 때 탄소를 포함한 유기 분자(organic molecules)가 주요 관심 대상이 된다. 지구 생명체가 탄소 기반이기 때문에, 탄소가 포함된 어떤 형태의 분자라도 검출되면 유의미한 출발점이 된다.

엔셀라두스의 분출물에서는 아민(amine)과 같은 유기물이 검출되었는데, 이는 아미노산(그리고 나아가 단백질)의 전구체가 될 수 있다. 이 외에도 훨씬 큰 고분자(macromolecules)도 관측되었지만, 카시니의 기기 한계로 인해 정확한 정체는 파악되지 않았다.

또한 탄소는 생명체를 구성하는 CHNOPS 원소(탄소, 수소, 질소, 산소, 인, 황) 중 하나이며, 이 중 황을 제외한 모든 원소가 분출물에서 확인되었다.

질량 분석법은 또한 해당 바다 내에서 가능한 에너지원의 존재 여부를 보여준다. 지구 생명체의 주요 에너지원인 광합성은 엔셀라두스의 바다가 두꺼운 얼음 아래 묻혀 있어 불가능하다. 광합성에는 빛이 필요하므로, 거의 확실하게 암흑 상태인 엔셀라두스 내부 바다에서는 불가하다.

그러나 생명체는 화학합성(chemosynthesis)이라는 다른 방식으로 에너지를 얻을 수도 있다. 1970년대 말, 지구 심해 열수 분출공(hydrothermal vent) 주변에서 이러한 생명체가 발견되었다. 이들은 열수에 포함된 광물과 화학물질을 활용한 반응으로 에너지를 얻는다.

엔셀라두스 내부 바다에서도 이와 유사한 화학합성 경로에 필요한 이산화탄소와 수소가 충분히 존재하는 것으로 보인다.

실제로 분출물에서 검출된 수소의 양이 매우 많아, 현재도 내부 바다에서 수소가 생성되고 있음을 의미하며, 이는 열수 분출공이 존재할 가능성을 시사한다.

최근 연구의 의의

물론, 분출물만으로 내부 바다의 성분을 추정하는 데는 주의가 필요하다. 분출물이 얼음층을 통과하며 우주로 방출되는 과정에서 일부 물질이 농축되거나 희석될 수 있으며, 우주의 방사선이 분자에 화학 반응을 일으킬 가능성도 있다.

이번 연구는 신선하게 분출된 물질을 분석함으로써 이러한 문제를 회피하였다. 고속 플라이바이로 수집된 샘플은 더 다양한 분자가 관측될 수 있도록 분해되었으며, 새로운 물질뿐만 아니라 기존에 확인된 분자들도 포함되어 있어, 이들이 엔셀라두스 내부에서 유래한 것임을 확인하였다. 일부 신규 분자들은 열수 기원을 더욱 강하게 시사한다.

이러한 생명체 존재 가능성에 대한 지식을 바탕으로, 유럽우주국(ESA)은 2040년대 엔셀라두스를 근접 통과(flyby)하고, 가능하다면 궤도 진입 및 착륙까지 수행하는 임무를 계획하고 있다.

더 업그레이드된 탐사 기기를 탑재한 이 임무는 분출물에서 생명체의 증거를 찾는 것을 목표로 한다. 만약 엔셀라두스 내부 열수 시스템 주변에 생명체가 존재한다면, 그것이 바다의 표면을 지나 우주로 날아가기까지는 긴 여정이 될 것이다.

그러나 워싱턴 대학교의 파비안 클레너(Fabian Klenner)와 동료들의 최근 연구는, 얼음 입자 하나에 포함된 박테리아 한 개체조차 질량 분석을 통해 탐지 가능하다는 사실을 보여주었다. 이는 만약 엔셀라두스 내부에 생명체가 존재한다면, 그 증거가 우주에 떠다니며 우리를 기다리고 있을 가능성이 있다는 희망을 남긴다.

[출처] Saturn’s icy moon Enceladus is an attractive target in the search for life – new research

[번역] 하주영