우주에서의 분자의 신비

우주에는 항성이나 행성, 혜성, 블랙홀 등의 천체 그리고 별과 별 사이에 있는 어두운 공간 등이 있습니다. 이들 각각은 학술 용어로 엄격한 정의라는 것은 없습니다.  dwarf planet은 행성 재정의로 태어난 개념입니다.

성간공간이란 별과 별 사이에 있는 광대한 아무것도 없는 것처럼 보이는 공간을 말합니다. 성간가스라는 매우 밀도가 작은 가스와 성간먼지라는 규소와 탄소, 철, 마그네슘 등의 약간 무거운 원소로 만들어진 미립자가 존재하고 있습니다.

우주에는 어떤 원소가 존재하는지 살펴보면 압도적으로 수소의 수가 많은 것을 알 수 있습니다. 약 90%로 헬륨, 산소, 탄소로 이어집니다. 이것은 원소 존재도이므로 화합물에 포함되어 있는 수소나 산소도 카운트되고 있습니다.

분자의 형태로 어떤 분자가 있는지 살펴보면 흥미로운 것은 우주에는 이상한 모양의 분자가 존재한다는 점입니다. 예를 들어 손의 수가 맞지 않는 라디칼 분자가 많습니다(CH나 C2 등). 게다가 이온 그대로 존재하는 분자가 있습니다(CF+나 HCNH+ 등).

위 그림의 '3' 부분의 처음에 HCN과 HNC라고 적혀 있습니다. 이 두 가지는 이성체로 HCN이 훨씬 안정하다는 것이 알려져 있습니다. 얼마나 안정하면 지구상에서 HCN이 1만 개 있어도 모두 HCN이 되어 있는 정도입니다. 그러나 많은 성간공간에는 HNC와 HCN의 비율이 0.01~1:1 정도인 것을 알 수 있습니다.

이 존재비의 수수께끼는 아직 해결되지 않았지만 어느 정도는 알고 있습니다. 그 열쇠는 '4' 부분의 위로부터 4번째에 쓰여져 있는 HCNH+라는 이온에 있다고 알려져 있습니다.

이 이온에 전자가 부딪히면 HCNH 분자가 됩니다. 여기에서 여분의 에너지를 가진 HCNH 분자는 그 에너지를 방출하기 위해 스스로 원자를 내놓습니다. 그 내놓는 원자는 수소원자이지만 여기서 C와 결합하고 있는 수소원자를 내놓으면 HNC가 되고, N과 결합하고 있는 분자를 놓으면 HCN이 됩니다. 이것이 HNC가 많이 존재하는 이유 중 하나일 것으로 생각됩니다.

애초에 왜 HCNH+가 HCNH가 되어 나뉘어져 가는 복잡한 프로세스를 하는지, NH와 C가 부딪치면 HNC를 만들 수 있을 것으로 생각되지만 그렇게 단순하지 않습니다.

그것은 에너지 보존 문제입니다. 우주는 거의 진공이기 때문에 주변에 다른 분자가 없습니다. 3개의 분자가 동시에 부딪힐 가능성은 0이라고 해도 좋을 것입니다. 그러면 두 원자가 부딪혀 안정한 하나의 분자가 되어 버리면 불필요한 에너지의 방출이 없기 때문에 결국 그 에너지는 지금 생긴 결합을 끊기 위해서 사용되어 버리고 분자는 또 2개의 원자로 나뉘어 갑니다. 똑같은 것을 분자끼리의 충돌에도 말할 수 있는 것입니다. 그래서 3원자 분자를 만들려면 4개 이상의 원자가 관련된 충돌이 필요하게 됩니다. 빠져나가는 원자가 반드시 있기 때문입니다.

그러므로 주목한 것은 NH 분자와 C2 분자입니다. 이 두 가지는 모두 라디칼이며 충돌하면 HNCC라는 분자가 됩니다. 여기에서 C가 빠져나가면 HNC가 될 것으로 예상됩니다.

이 충돌의 시뮬레이션을 하는 프로그램은 이미 있기 때문에 NH와 C2를 충돌시켜 본 결과 거의 100% HNC가 생성하는 것을 알게 되었습니다. 이 반응이 성간공간에서의 HNC의 존재비에 미치는 영향이라고 보지는 않지만 HCNH+이온은 4원자 분자인 것이고, 4원자 분자가 할 수 있는 확률이라고 하는 것은 2원자 분자 2개의 충돌과 비교해도 그다지 높지는 않을 것으로 예상됩니다. 그렇다면 이 반응에 의한 존재비의 영향을 고려할 만한 것이라고 봅니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 宇宙にある分子の不思議
http://www.chem.saitama-u.ac.jp/takayanagi-lab/res01_b.html