지구의 물은 어디서 왔을까? 빅뱅부터 바다까지 138억 년 여행

 

매일 마시는 물, 사실 우주에서 온 재료입니다

컵에 담긴 물 한 잔을 마실 때 이 물이 언제 어디서 만들어졌는지 생각해 보신 적 있나요? 물(H₂O)은 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있습니다. 그런데 이 두 재료는 서로 다른 시간, 다른 장소에서 만들어졌습니다.

1. 빅뱅: 수소가 태어나다 (약 138억 년 전)

우주가 시작된 직후에는 너무 뜨거워서 어떤 원자도 만들어질 수 없었습니다. 우주가 식으면서 약 3분 동안 수소와 헬륨이 만들어졌고, 이것이 우주에서 가장 흔한 두 원소가 되었습니다. 이때는 산소가 없었으므로 물도 존재할 수 없었습니다.

2. 별 내부: 산소가 만들어지다

수소와 헬륨이 뭉쳐 첫 별이 태어났습니다. 별 속에서는 핵융합으로 가벼운 원소가 무거운 원소로 바뀌고, 이 과정에서 산소가 만들어집니다. 큰 별이 수명을 다해 초신성 폭발을 일으키면 산소가 우주 곳곳으로 퍼져나갑니다. 우리 몸과 물속의 산소는 아주 오래전 별이 만든 것입니다.

3. 우주 먼지 위에서 물이 만들어지다

차가운 가스 구름 속 먼지 알갱이 표면에 산소와 수소가 달라붙어 반응하면 물이 되고, 낮은 온도 때문에 얼음으로 얼어붙습니다. 이렇게 우주에는 물과 얼음이 일찍부터 풍부하게 존재했습니다.

4. 태양계 탄생과 지구의 물 부족 문제 (약 46억 년 전)

물과 먼지가 가득한 구름이 뭉쳐 태양과 행성이 만들어졌습니다. 태양 가까이는 뜨거워서 물이 얼음으로 존재할 수 없는 구역이었고, 지구는 바로 이곳에서 태어났습니다. 그래서 초기 지구는 물이 부족했을 것으로 추정됩니다.

5. 그렇다면 지구의 물은 어디서 왔을까?

아직 결론이 나지 않았고, 여러 공급원이 함께 기여했다고 봅니다.

후보 설명

지구 재료 자체	지구를 만든 암석에 이미 물이 포함되어 있었다는 설
소행성	태양에서 먼 곳의 물 많은 소행성이 충돌했다는 설. 바닷물과 성분(수소 동위원소 비율)이 비슷해 가장 유력
혜성	얼음 덩어리 혜성도 충돌했지만 성분이 달라 기여도는 작을 것으로 추정

6. 바다의 탄생 (약 44억~40억 년 전)

초기 지구는 암석이 녹을 만큼 뜨거워서 물이 수증기로 대기에 떠 있었습니다. 지구가 식으면서 수증기가 비가 되어 오랫동안 내렸고, 이 물이 모여 원시 바다가 되었습니다. 약 44억 년 전 광물(지르콘)에서 액체 물의 흔적이 보고되었습니다.

7. 물이 생명의 무대가 되다

물은 많은 물질을 잘 녹이는 용매이고, 비열이 커서 온도 변화가 완만하며, 얼음이 물 위에 뜨는 특이한 성질이 있습니다. 덕분에 생명이 시작되고 유지되기에 좋은 환경이 되었습니다. 생명의 기원으로는 심해 열수구 가설과 얕은 웅덩이 가설 등이 연구되고 있으며, 약 35억 년 전의 미생물 흔적이 발견되었습니다.

마무리

수소는 빅뱅에서, 산소는 별에서, 물은 우주 먼지 위에서, 바다는 지구가 식으면서 만들어졌습니다. 수질을 공부하며 물을 다루다 보면 이 한 잔이 138억 년의 이야기라는 점이 새삼 놀랍게 느껴집니다. 

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참고 자료(출처)

• Piani et al., "Earth's water may have been inherited from material similar to enstatite chondrite meteorites", Science, 2020 (science.org)
• Valley et al., "Hadean age for a post-magma-ocean zircon confirmed by atom-probe tomography", Nature Geoscience, 2014 (nature.com)
• Alexander et al., "The Provenances of Asteroids, and Their Contributions to the Volatile Inventories of the Terrestrial Planets", Science, 2012 (science.org)
• NASA, 우주 물과 생명 거주 가능성 관련 자료 (nasa.gov)