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- 생명서식 가능 환경을 우주에서 발견 -

도쿄대학 대학원 신영역창성과학연구과, 해양연구개발기구 해양지구생명사연구분야 연구팀은 미국, 유럽, 일본에 의한 탐사와 실험의 면밀한 연대에 의해 엔셀라두스의 지하바다에 해저열수 환경이 존재하고 있다는 것을 밝혀내었다.

엔셀라두스는 토성의 빙(氷)위성 중 하나이며, 직경 500km 정도인 천체이다. 이 작은 위성이 세계 과학자의 시선을 모으는 이유는 남극 부근의 지표 균열에서 지하의 해수가 간헐선과 같이 우주로 분출하고 있다는 것이다. NASA의 카시니탐사기는 플룸이라는 간헐천을 통과하여 해수에 염분 및 이산화탄소, 암모니아 등의 가스성분, 유기물이 포함되어 있다는 것을 밝혀내었다. 그리고 중력 데이터로부터 남극 주변의 지하에 광대한 지하바다가 존재하는 천체는 목성 위성 에우로파와 접하고 있다는 것도 밝혀내었다. 지하바다가 존재하는 천체는 목성의 위성 에우로파 등 지금까지 여러 개 발견되었다. 그러나 두꺼운 얼음지반에 막혀 있기 때문에 지하바다를 직접 조사하는 것은 곤란하다. 엔셀라두스는 해수를 우주로 방출함으로써 내부의 모습을 직접 조사하는 기회를 줄 수 있는 귀중한 천체이다.

2005년 플룸 발견 이후 엔셀라두스에 관한 연구결과가 얻어질수록 생명 존재의 기대도 높아졌다. 그러나 해결되지 않은 중요한 문제도 남아 있었다. 그것은 지하바다에 생명이 이용할 수 있는 에너지가 존재하는가 하는 점이다. 지구상의 생명은 태양으로부터 광에너지 및 지구로부터의 열에너지에 의존하여 생명활동을 수행하고 있다. 특히 태양광이 도달하지 않는 심해의 해저 열수분출공에서는 지구의 열에너지를 사용하여 살아가는 원시적인 미생물이 존재한다. 이러한 해저 열수분출공은 초기 지구에서도 생명탄생의 장소로 유력한 후보이다. 그러나 태양광이 도달하지 않는 엔셀라두스의 지하바다에 그러한 열수환경이 존재하는지 지금까지 밝혀지지 않았다.

연구팀은 플룸 중에 포함된 해저온도의 지표가 되는 물질 “나노크기의 암석 미립자”에 주목하였다. 카시니탐사기에 탑재된 더스트분석기는 탐사기와 충돌한 미립자의 조성을 조사하는 측정기이며, 탐사기가 토성 주회 중에 나노크기의 실리카가 풍부한 미립자와 몇 번 충돌하였다는 것을 밝혀내었다. 나노 실리카 입자는 지구상에서 비교적 풍부한 물질이지만, 우주에서는 희박하다. 왜냐하면 지구상에서 실리카의 주요 생성과정이 고온의 물이 암석과 접촉함으로써 암석성분이 열수에 녹고, 그 열수가 급냉함으로써 실리카가 석출되기 때문이다. 따라서 나노 실리카 입자가 물과 암석이 반응하고 있다는 물리적 증거이다.

미국과 독일 연구팀은 더스트분석기의 상세한 데이터 해석을 실시하여 이러한 나노입자가 거의 순수한 실리카로 있으며, 그것이 토성을 돌고 있는 엔셀라두스의 궤도 주변에 존재하고 있다는 것을 밝혀내었다. 즉, 나노 실리카 입자는 엔셀라두스의 지하바다에서 형성되어, 플룸과 함께 우주에 방출된다. 그러나 나노 실리카 입자의 존재 이외에 구체적인 지하바다의 온도조건을 추정하는 것은 어렵다. 왜냐하면 나노 실리카 입자의 생성은 온도뿐만 아니라 암석 및 해수의 조성, pH에도 의존하고, 이러한 조건은 지구와 엔셀라두스에서 크게 다르다는 것을 예상할 수 있기 때문이다.

그래서 일본 연구팀은 플룸에서 관측된 이산화탄소 및 암모니아를 포함한 수용액과 초기 태양계에 보편적으로 존재하는 감람석 및 휘석의 분말을 이용한 열수반응실험을 수행하여, 엔셀라두스 지하바다의 환경을 규명하였다. 그 결과, 엔셀라두스 내부의 반응에서 나노 실리카 입자가 생성되기 위해서는 90도 이상이라는 열수환경이 필요하고, 열수의 pH는 8~10의 알칼리성이라는 것을 알았다. 그리고 나노실리카 입자는 해수 중에서 수년 이내라는 단시간에 큰 입자까지 성장하기 때문에 이것이 열수환경에서 생성된 후 우주로 분출하기까지의 시간은 길어도 수년이라는 것을 나타내었다. 연구팀은 이러한 결과에 기초하여 엔셀라두스의 해저에 지구의 해저열수분출공과 닮은 열수환경이 아마도 엔셀라두스에 광범위하게 존재하고, 그것이 현재에도 활발하게 활동하고 있다는 내부모델을 구축하였다.

(그림 1) 카시니탐사기에 의해 촬영된 엔셀라두스 남극부근의 균열에서 분출하는 플룸 사진
(그림 2) 이번에 규명된 엔셀라두스의 내부 모습
(그림 3) 엔셀라두스 내부에서 예상되는 열수환경의 온도조건과 열수 중에 녹아 있는 실리카 농도의 관계