우주의 생명소재물질의 형성 과정을 규명

우주의 생명소재물질의 형성 과정을 규명함으로써, 다른 행성계에도 생명체가 존재할 가능성에 대한 기대가 높아졌다

개요

국립천문대 천문데이터 센터의 오오이시 센터장을 중심으로 하는 연구팀은 생명에 필수적인 아미노산인 글리신의 전단계 물질로 간주되는 메틸아민을 국립천문대 노베야마 관측소의 45m 대형 전파망원경을 이용하여, 여러 별의 형성 영역에서 검출하는 데 성공했습니다. 연구팀은 지금까지의 연구 성과를 종합하여, 우주에 풍부하게 존재하는 청산을 출발 물질로 하여 단계적으로 복잡해지는 과정을 통해 글리신이 만들어졌을 가능성이 크다는 사실을 세계 최초로 관측을 통해 보여주었습니다. 우주 유래의 생명소재물질은 행성 형성 과정에서 혜성이나 운석에 의해 행성으로 운반된 후 복잡한 화학 진화를 거쳐 생명에 이르렀다고 간주하고 있으며, 다른 행성계에도 생명체가 존재할 가능성이 크다는 결과입니다.

연구의 배경과 동기

'생명은 어떻게 발생했는가', '우리는 우주의 고독한 존재인가'는 인류의 근원적 물음 중 하나라고 할 수 있습니다.

지구에서의 생명은 약 35억 년 전에 탄생하여, 지구 환경의 변화와 함께 진화해 왔습니다. 생체 내에서 다양한 화학 반응이 일어나고 있으며, 생명을 이해하기 위해서는 매우 광범위한 과학 분야의 긴밀한 연계가 필요합니다. 그리고 '우주에서 생명의 기원 · 진화 · 분포 · 미래 연구'를 목적으로 하는 천체생물학이라는 새로운 학문 분야가 1990년대 말에 제안된 일본에서도, 많은 연구자가 천체생물학에 참여하게 되었습니다.

성간분자운 중의 물질이 수축하여 별과 그 주위에 행성이 탄생합니다. 생명 발생에 대한 가설로서, 분자 구름 속에 포함되어 있던 생명소재물질의 일부는 혜성이나 운석에 의해 운반되어, 행성에 축적되고 더 복잡한 화학 진화를 거쳐 최초의 생명에 이르렀다는 주장이 있습니다.

최근에는 '생명소재물질'(아미노산, 당, 핵산 염기와 그 전단계 물질인 전구체 등의 유기분자)을 우주로부터 초기 행성 환경에 유입하는 것이 생명의 발생에 중요하다는 주장도 나와 있습니다.

1995년의 첫 발견 이후 외계 행성이 1,800개 이상 발견되었고, 그 중에는 지구와 비슷한 환경의 행성도 있습니다. 따라서 다른 행성에도 생명체가 존재할지도 모른다는 기대가 높아지고 있습니다. 실제로 국립천문대도 참가하고 건설 · 운용하고 있는 알마 망원경이 규명을 목표로 하는 중요한 과학 테마의 하나로 '우주 아미노산의 발견'을 들 수 있고, 올해부터 건설이 시작된 TMT 망원경도 '우주 생명의 흔적'이 주요 연구 주제의 하나입니다.

우주 공간에는 성간분자운이 존재하고, 그 안에는 성간분자가 다수 존재하는 것으로 밝혀지고 있습니다. 이러한 배경 하에 1970년대 말부터 가장 간단한 아미노산인 글리신(NH2CH2COOH)을 성간분자운에서 찾으려고 하는 여러 시도가 있었습니다. 그러나 모두 성공에 이르지 못했습니다. 그래서 연구 그룹은 글리신 자체가 아니라 그 전단계 물질인 메틸아민(CH3NH2)과 전전단계인 메틸렌이민(CH2NH)에 주목했습니다. 메틸아민과 성간분자운에 풍부하게 존재하는 이산화탄소(CO2)가 반응하여 글리신을 생성하기 때문에, 글리신의 전단계 물질이 풍부한 천체는 글리신도 풍부할 것으로 예상되고 있습니다. 그러나 성간분자운 내에서 메틸아민과 메틸렌이민은 1970년대에 발견되었지만, 그 누구도 이러한 전단계 물질에 주목하지 않았습니다.

한편, NASA가 쏘아 올린 스타더스트(StarDust) 계획에 의해, 혜성에서 글리신이 발견되고 있습니다. 글리신이 성간분자운 내에서 생성된다는 것이, 간접적으로 우리에게 보여주는 것으로는, [성간분자운 내의 아미노산 → 별과 행성의 형성과 동시에 혜성이나 운석에 포함되다 → 행성으로 운반되다 → 행성 표면에서 더욱더 복잡화되다 → 최초의 생명]이라는 우주와 생명의 깊은 연결고리를 보여주는 것입니다.

관측

관측은 2014년 3월과 5월에 국립천문대 노베야마 우주전파관측소의 45m 대형 전파망원경을 이용하여, 주파수 78 ~ 100GHz의 범위에서 수행하였습니다. 관측에 사용된 수신기의 성능이 매우 좋고, 그 결과 이미 발견했던 메틸렌이민이 풍부한 천체인 G10.47+0.03과 NGC6334F에서 글리신의 전단계 물질인 메틸아민을 발견할 수 있었습니다. 이 두 천체에서는 지금 별이 탄생하고 있습니다. 즉, 별이 탄생하는 현장에서 글리신의 전단계 물질이 존재하는 것으로 나타났다는 것입니다.

이번에 발견한 메틸아민의 존재량을 구한 결과, 지금까지 보고된 은하계 중심에서의 메틸아민의 존재량보다 약 10배나 많은 것으로 나타났습니다. 즉, 이번에 메틸아민이 검출된 천체는 알려진 것 중 가장 메틸아민이 많은 천체라는 것을 알 수 있었습니다.

이번 연구에서는 메틸아민에 의한 신호선을 여러 개 발견했습니다. 지금까지의 연구를 통해 메틸렌이민이, 성간분자운 중에 풍부하게 존재하는 맹독인 청산(HCN)에 수소(H)가 부가하여 생성되는 것으로 나타났습니다. 이번 연구결과를 종합하면, 성간분자운에서의 글리신의 생성 경로로는 'HCN에 수소(H)가 부가하여 메틸렌이민이 생성되고, 여기에 추가로 수소가 부가하여 메틸아민으로 변화하는데, 이것이 성간분자운에 풍부한 이산화탄소와 반응하여 글리신이 된다'고 강하게 시사하고 있습니다.

연구의 영향과 향후 전망

1. 우리가 얻은 메틸아민의 존재량을, 성간분자의 존재량을 이론적으로 예측하는 모델(R. Garrod, ApJ 765, id.65)과 비교해본 결과, 비교적 좋은 일치를 볼 수 있었습니다. 이 모델은, 우리가 주목한 메틸아민과 이산화탄소에서 글리신을 생성하는 반응을 고려한 것입니다.

이 모델에 의해 예측되는 글리신의 존재량은 알마 망원경을 이용하여 검출 가능한 양입니다. 따라서 우리의 연구결과에 따라, 알마 망원경을 이용한 관측을 실시함으로써 지난 40년 동안 성공하지 못한 성간분자운의 아미노산을 세계 최초로 발견할 수 있는 가능성이 커졌습니다.

성간분자운에서 아미노산이 실제로 발견되면, 우주에 풍부하게 존재하는 단순한 물질이 점차 복잡해지는 과정을 거쳐 마침내 행성에 생명이 발생한다는 가설을 우주적 시야에서 그릴 수 있습니다.

2. 연구결과에 따라 별과 행성을 낳는 모체인 성간분자운에서 아미노산의 전단계 물질(간접적으로 아미노산)이 풍부하게 존재하는 것을 알 수 있었습니다. 이러한 생명소재물질은 혜성이나 운석에 의해 행성의 표면에 운반되어 집적하고, 여러 행성에서는 생명의 발생에 이를 것으로 생각됩니다. 외계 행성에 생명이 존재하고 식물처럼 광합성을 하는 능력을 획득하고 있다면, 그 행성의 대기는 광합성의 결과로 만들어진 산소와 오존이 존재할 것으로 기대됩니다.

국립 천문대도 참가하고 건설이 시작된 TMT 망원경은 고감도 행성 대기 관측에 의해 이러한 바이오 마커를 탐사하려고 계획하고 있습니다. 우리의 연구 결과는 생체 탐사 계획의 과학적 중요성을 크게 높일 수 있습니다.

출처 참조 번역
宇宙の生命素材物質の形成過程を解明
https://www.nro.nao.ac.jp/news/2014/pr0910/0910-preglycine.html

宇宙の生命素材物質の形成過程を解明