사진: Colin Lloyd / Pexels
수소는 빅뱅이, 산소는 죽은 별이 — 당신 컵 속 물의 출생의 비밀
컵 속 물 한 모금의 재료는, 지구가 태어나기 한참 전 우주에서 따로따로 빚어졌습니다. 수소는 빅뱅 직후에, 산소는 별이 핵융합으로 만든 뒤 죽으며 흩뿌렸어요. 둘은 영하 250도가 넘는 차가운 먼지 표면에서 얼음으로 맺혔고, 그 물은 소행성에 실려 지구로 ‘배달’됐습니다(물의 지문 D/H로 추적). 그러니 우리 몸은, 별의 잔해로 채워진 작은 바다인 셈입니다.
지금 컵에 담긴 물 한 모금. 이 물은 언제, 어디서 만들어졌을까요? 놀랍게도 그 재료는 지구가 태어나기 한참 전, 머나먼 우주에서 빚어졌어요. 오늘은 물의 ‘출생의 비밀’을 따라, 빅뱅에서 당신의 컵까지 거슬러 올라가 봅니다.
물의 두 재료는, 따로따로 태어났다
물은 수소와 산소로 되어 있죠. 그럼 이 둘은 우주 탄생 때 함께 생겼을까요?
아니에요. 우주가 막 탄생한 빅뱅 직후엔 가장 가벼운 수소와 헬륨, 그리고 극미량의 리튬만 만들어졌어요. 물의 한쪽 재료인 수소는 일찍 태어났지만 — 다른 쪽 재료인 산소는 그때 ‘아예’ 없었습니다. 그러니 빅뱅 직후엔 물이 존재할 수가 없었죠. 재료의 절반만 먼저 우주에 깔린 셈이에요.
산소는, 별이 만들어 냈다
그럼 산소는 누가 만들었을까요? 별이에요. 별은 중심에서 수소를 태워(핵융합) 점점 무거운 원소를 차례로 빚어 갑니다. 그 과정에서 마침내 산소가 등장하죠. 그리고 별이 수명을 다해 부풀거나 초신성으로 터질 때, 그 산소가 우주 공간(별과 별 사이)으로 흩뿌려집니다. 물의 나머지 재료가, 비로소 우주에 풀린 거예요.
“우리 컵 속 산소 원자는, 어느 별이 죽으며 남긴 유언입니다.”
물은 ‘불꽃’이 아니라 ‘서리’로 태어난다
수소와 산소가 만나면 물이 되죠. 그런데 그 ‘만남’이 어디서 일어날까요? 흔히 ‘수소 + 산소 → 물’ 하면 폭발적 반응(연소)을 떠올리지만 — 우주의 물은 정반대 환경에서 태어나요. 별과 별 사이, 영하 250도가 넘는 칠흑 같은 추위 속, 차가운 먼지 알갱이 표면에서 원자들이 한 번에 하나씩, 수만 년에 걸쳐 조용히 달라붙어 얼음이 됩니다.[1]
지상의 물이 폭죽이라면, 우주의 물은 인내의 화학인 셈이죠. 그래서 물은 우주에서 가장 흔한 분자 중 하나예요.
그런데 — 얼마나 흔하냐면
물은 지구만의 보물이 아니에요. 우주 곳곳에 깔려 있죠. 얼마나 흔하냐면 — 2011년 천문학자들은 무려 120억 광년 떨어진 한 퀘이사(거대 블랙홀이 주변 물질을 삼키며 맹렬히 빛나는 은하 중심) 곁에서, 지구의 모든 바닷물을 합친 것의 약 140조 배(추정)에 이르는 물을 수증기 형태로 찾아냈어요. 우주에서 알려진 가장 크고 먼 ‘물 저수지’예요.[2]
더 놀라운 건 ‘시점’이에요. 그 빛은 120억 년을 날아온 것이니, 우리는 지금 우주가 태어난 지 겨우 16억 년쯤 된 시절의 모습을 보는 셈이에요. 물은 그 까마득한 옛날에, 이미 그 머나먼 곳에 있었던 거죠. (‘140조 배’는 관측에 기반한 추정 규모로, ‘상상하기 어려울 만큼 많다’는 뜻으로 받아 주세요.)
“물은 우주의 손님이 아니라, 우주의 토박이입니다.”
물의 ‘지문’ — 중수소(D/H)
그렇다면 지금 지구의 바닷물은, 우주의 어디서 굴러온 걸까요? 단서가 있을까요?
있어요. 바로 물의 ‘지문’이에요. 보통 수소(H)에 중성자가 하나 더 붙은 무거운 형제를 중수소(D)라고 하는데, 추운 곳에서 만들어진 얼음일수록 이 D가 더 많이 섞입니다. 그래서 물에 든 D/H 비율을 재면, 그 물이 어디서 왔는지 짐작할 수 있어요. 지구 바닷물의 지문은 약 156ppm(백만 개 중 156개)이에요.[3]
이 지문을 우주의 후보들과 맞춰 보면 — 소행성(탄소질 운석)의 물은 지구와 거의 똑같고, 대부분의 혜성은 D/H가 지구의 2~3배로 높았어요. 지구를 닮은 혜성(하틀리2)도 있었지만,[4] 로제타 탐사선이 다가간 혜성 67P는 무려 3배에 이르렀죠.[5]
그래서, 지구 바다는 ‘배달’되었다
지문을 종합하면, 지구 바닷물과 가장 잘 맞는 건 소행성(운석)이에요. 즉 ‘지구의 물은 소행성이 배달했다’는 게 현재 다수설이에요. 지구는 건조하게 태어나, 나중에 물을 받은 행성이니까요.
단 ‘유력’이지 ‘확정’은 아니에요. 67P처럼 지문이 안 맞는 혜성도, 반대로 지구를 닮은 혜성도 있어 ‘혜성도 일부 거들었을 수 있다’는 여지가 남아요. 최근엔 지구가 스스로 물을 일부 만들었을 가능성도 거론되고, 67P의 측정값 자체가 다시 검토되기도 했죠. 그래서 정직한 답은 ‘소행성이 주도한 다중 기원, 논쟁은 진행 중’이에요.[6]
마치며 · 당신은, 작은 바다입니다
정리하면 이래요. 수소는 빅뱅이 주고, 산소는 별이 빚어 죽으며 흩뿌리고, 둘은 먼지 위에서 얼음으로 맺힌 뒤, 소행성에 실려 지구로 배달됐어요. 그 물이 바다가 되고, 비가 되고, 지금 당신의 몸 70%를 채우고 있습니다. 우리 몸은, 별의 잔해로 채워진 작은 바다인 셈이에요.
그런데 지구의 물이 정말 ‘바다’에만 있을까요? 다음 편에서는 우리가 못 보던 곳들을 뒤져 봅니다. 발밑 수백 km 암석 속, 그리고 태양에서 한참 떨어진 얼음 위성 속 — 거기에도 ‘바다’가 숨어 있거든요.
자주 묻는 질문 (FAQ)
Q. 물의 재료인 수소와 산소는 같이 생겼나요?
A. 아니에요. 수소는 빅뱅 직후에 생겼지만, 산소는 그때 없었어요. 산소는 한참 뒤 별이 핵융합으로 만든 뒤, 수명을 다해 터지며 우주에 흩뿌린 원소예요. 그래서 ‘우리 컵 속 산소는 어느 별의 유언’이라고 말하는 거죠.
Q. 지구의 바닷물은 어디서 왔나요?
A. 물의 ‘지문’인 중수소 비율(D/H)로 추적하면, 지구 바다(약 156ppm)와 가장 잘 맞는 건 소행성(탄소질 운석)이에요. ‘소행성이 주도해 배달했다’는 게 현재 다수설이지만, 혜성이 일부 거들었을 가능성 등 논쟁은 진행 중입니다.
Q. 물은 우주에서 드문가요?
A. 오히려 흔해요. 별과 별 사이 차가운 먼지 표면에서 끊임없이 만들어져, 우주에서 가장 흔한 분자 중 하나입니다. 2011년엔 120억 광년 밖 퀘이사 곁에서 지구 바닷물의 약 140조 배(추정)에 이르는 물이 발견되기도 했어요.
결론 — 별의 잔해로 채워진 작은 바다
우리가 마시는 물은 빅뱅과 죽은 별, 그리고 소행성을 거쳐 온 우주의 토박이예요. 그 물이 지금 당신의 몸 70%를 채우고 있죠. 다음 편 「숨은 바다」에서는, 그 물이 지구의 ‘겉’만이 아니라 발밑 암석과 머나먼 얼음 위성에도 숨어 있다는 이야기를 만나요.
▶ 함께 읽기
– [물의 경이 ④] 숨은 바다 — 지구가 감춘 물, 우주가 감춘 바다
– [물의 경이 ①] 물 분자의 마법 — 다섯 가지 기적
– [대멸종] 시리즈 — 지구 생명의 큰 사건들
참고 자료
– [1] Dulieu, F. et al. — Water formation on interstellar dust grains, Astronomy & Astrophysics 512 (2010)
– [2] NASA/JPL — Astronomers Find Largest, Most Distant Reservoir of Water (퀘이사 APM 08279+5255, 2011)
– [3] ESA Herschel — Deuterium-to-hydrogen ratio in the Solar System (지구 바닷물 D/H ≈ 156ppm)
– [4] Hartogh, P. et al. — Ocean-like water in the Jupiter-family comet 103P/Hartley 2, Nature (2011)
– [5] Altwegg, K. et al. — 67P/Churyumov-Gerasimenko, a Jupiter family comet with a high D/H ratio, Science (2015)
– [6] NASA/JPL — Rosetta Reignites Debate on Earth’s Oceans (지구 물 기원 논쟁)
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