금성은 일반적인 가시광선에서는 옅은 노란색으로 보이지만 자외선 파장에서는 그 모습이 극적으로 변합니다. 거기에는 어둡고 밝은 특징이 행성의 상부 황산 구름을 가로지르고 있습니다. 과학자들은 약 100년 동안 이러한 패턴을 관찰해 왔지만 이를 생성하는 물질, 즉 ‘알려지지 않은 흡수제’는 아직까지 확인되지 않았습니다.
이제 국제 연구팀은 이 신비한 물질이 어떤 모습일지에 대한 새로운 수치적 한계를 설정했습니다. 과학자들은 복사 전달 모델링과 함께 금성의 관측을 사용하여 우주선과 망원경이 관찰하는 것과 일치하도록 행성의 구름 방울 내부의 액체가 자외선과 청색광을 얼마나 강하게 흡수해야 하는지 추정했습니다.
연구실에서 금성의 구름을 재구성하다
에 발표된 연구 우주생물학특이한 방법으로 문제를 조사했습니다. 수석 저자인 Jan Spacek 박사는 물방울이 분광계 큐벳에 수집되어 대량 액체로 연구될 수 있다면 금성의 구름 물질이 어떻게 보일지 물었습니다.
구름은 실제로 입자를 구성하는 물질과 매우 다르게 보일 수 있기 때문에 이러한 구별이 중요합니다.
담배 연기가 익숙한 예를 제공합니다. 연기는 마이크로미터 이하의 입자가 빛을 매우 효율적으로 산란시키기 때문에 하얗게 보일 수 있습니다. 그러나 이러한 입자가 풍선 내부에 모이면 타르 같은 슬러지인 탄 담배의 두꺼운 현탁액이 형성됩니다.
금성의 구름은 입자 크기 분포가 담배 연기의 분포와 비슷하기 때문에 유사한 광학 원리에 따라 행동할 수 있습니다. 결과적으로, 멀리서 보면 옅은 노란색으로 보이는 구름에는 농축되었을 때 놀라울 정도로 어둡게 보이는 액체가 포함되어 있을 수 있습니다.
미국 응용 분자 진화 재단(Foundation for Applied Molecular Evolution)의 주저자인 Jan Spacek는 “우리 모델은 구름 물질을 통에 모아 실험실 분광계에 넣을 수 있다면 어떤 일이 일어날지 효과적으로 묻고 있습니다.”라고 말했습니다. “벌크 액체의 광 흡수가 용액 내 광 흡수 물질의 농도와 상관관계가 있을 수 있기 때문에 이는 중요합니다.”
미스터리 물질이 빛을 얼마나 강하게 흡수하는지 측정
이러한 비교를 가능하게 하기 위해 연구자들은 금성의 관측과 빛이 구름 방울과 대기 분자에 의해 어떻게 반복적으로 산란되고 흡수되는지 추적하는 복사 전달 모델을 결합했습니다.
그런 다음 천문학적 측정값을 실험실 UV-가시 분광학에서 일반적으로 사용되는 것, 즉 구름 방울을 구성하는 액체의 흡수 계수로 변환했습니다.
복사 전달 모델 계산을 수행한 기초과학연구원(IBS) 행성대기그룹 이연주 박사는 “핵심은 금성의 구름 입자가 햇빛을 매우 효율적으로 산란시키기 때문에 우주에서 관측된 광도는 실험실에서 측정된 대량 액체의 흡수와 직접적으로 비교할 수 없다는 점”이라고 말했다. “구름 입자와 대기에 의한 산란과 흡수를 고려함으로써 이 모델을 통해 구름 방울 액체 자체가 빛을 얼마나 강하게 흡수해야 하는지 추정할 수 있습니다.”
365-455nm의 모델링된 파장 범위에서 필요한 10년 흡수 계수는 약 1,278cm2에 이릅니다.-1 375nm에서.
이는 까다로운 요구 사항입니다. 이는 알려지지 않은 흡수체가 빛을 흡수하는 데 매우 효율적이거나, 액적 내부에 매우 높은 농도로 존재하거나, 두 조건을 모두 충족해야 함을 의미합니다.
탄소 기반 분자가 이것을 설명할 수 있을까요?
이러한 강력한 흡수가 가능한 물질의 한 가지 가능한 종류는 흡수성이 높은 공액 유기 분자입니다. 이러한 맥락에서 “유기농”은 단순히 탄소 기반을 의미하며 해당 물질이 생명체에서 나온 것임을 의미하지는 않습니다.
효과적인 포르피리노이드 색소와 유사한 흡수력을 가진 분자의 경우 필요한 농도는 리터당 약 10g입니다.
연구자들은 엽록소, 헴 또는 특정 생물학적 색소가 금성의 어두운 자외선 특성을 담당한다고 제안하는 것이 아니라고 강조합니다. 대신, 이들 화합물은 빛을 매우 효율적으로 흡수하는 친숙한 분자의 예이기 때문에 유용한 기준점이 됩니다.
금성의 흡수 스펙트럼 모양은 또 다른 중요한 단서를 추가합니다.
진한 황산에 놓인 단순한 유기 화합물은 반응하여 어둡고 화학적으로 복잡한 “타르와 같은” 혼합물을 형성할 수 있습니다. 그러나 이러한 혼합물은 일반적으로 가시광선 스펙트럼 전체에 걸쳐 빛을 광범위하게 흡수하여 갈색 또는 검은색 외관을 나타냅니다.
이 동작은 흡수가 365~455nm 사이에서 급격하게 떨어지는 금성에 대해 추론된 모델과 일치하지 않습니다.
Spacek는 “관찰된 광 흡수가 공액 유기 물질로 인한 것이라면 상대적으로 날카로운 흡수 프로파일은 우리가 일반적으로 진한 황산에 용해된 유기 물질에서 볼 수 있는 타르 유사 혼합물로의 전환을 방지하는 화학적으로 정의된 흡수제와 일치한다”고 말했습니다.
새로운 제약으로 인해 금성의 미스터리가 더욱 어려워졌습니다.
결과는 알려지지 않은 흡수체를 즉시 식별하는 대신 그럴듯한 후보 목록을 더욱 제한적으로 만듭니다.
“역설적이게도 미지의 흡수체에 추가적인 제약을 가함으로써 우리는 미스터리를 더욱 흥미롭게 만들 수 있었습니다”라고 폴란드 브로츠와프 과학 기술 대학의 Janusz J. Petkowski가 말했습니다.
무기 설명 역시 어려움에 직면해 있습니다.
“이 모델은 제안된 모든 흡수체에 까다로운 제약을 가합니다”라고 영국 캠브리지 대학의 Paul B. Rimmer가 말했습니다. “제안된 많은 무기 후보 물질은 필요한 흡수량을 맞추기 위해 매우 높은 농도로 존재해야 합니다.”
중요한 것은 이번 발견으로 금성의 구름에 생명체가 있다는 사실이 밝혀지지 않았으며, 신비한 흡수체가 유기체라는 사실도 입증되지 않았다는 것입니다.
대신, 연구에서는 유기물이든 무기물이든 제안된 모든 재료가 충족해야 하는 특정 정량적 요구 사항을 정의합니다. 여기에는 빛을 얼마나 효율적으로 흡수하는지, 얼마나 집중되어야 하는지, 대기 중 어디에 분포되어 있는지, 관측된 구름 입자 크기 범위에 실제로 존재할 수 있는지 여부가 포함됩니다.
향후 임무에서는 미스터리를 직접 테스트할 수 있습니다.
과학자들은 이제 실험실 실험에서 이러한 제약 조건을 테스트하고 이를 금성의 대기에서 직접 측정한 결과와 비교할 수 있습니다.
Morning Star Missions to Venus 계획은 금성 구름의 화학적 성질을 연구하기 위한 현장 기술을 개발하고 있습니다. 이러한 노력에는 복잡한 유기 분자에 대한 검색과 알려지지 않은 흡수체를 식별하는 데 도움이 될 수 있는 측정이 포함됩니다.
계획된 장비 중 하나인 자가형광 비탁계는 금성의 구름 입자에서 유기 분자와 연관될 것으로 예상되는 형광을 검사하도록 설계되었습니다. 금성으로의 로켓 연구소 임무를 계획하고 있습니다.
원격 관측을 실험실 화학 및 미래 우주선 측정과 연결함으로써 이 연구는 금성의 가장 오래된 미스터리 중 하나를 해결하는 새로운 길을 제시합니다.
