원시 행성계에서 발견된 스노우 라인(Snow Line)

 

 

그림 1> 이 상상화는 TW Hydrae의 스노우라인을 보여주고 있다. 
물로 만들어진 얼음이 먼지 알갱이들을 감싸고 있는 부분은 안쪽 원반이다.(4.5~30AU, 파란색으로 표시되어 있음)
그리고 일산화탄소 얼음이 먼지 알갱이들을 감싸고 있는 부분은 원반의 외곽쪽이다.(30AU 이상, 초록색)

파란색에서 초록색으로 변화되어 가는 부분이 일산화탄소의 스노우라인이다.

눈은 먼지 알갱이들에 끈끈한 보호막을 만들면서 먼지 알갱이들이 서로간에 들러붙도록 도와주고 이렇게 들러붙은 덩어리들은 행성과 혜성을 형성시키는 근본 물질이 된다.

서로 다른 화학성분에 따라 서로 다른 온도에서 형성되는 빙점으로 인해 별로부터 떨어져 있는 거리에 따라 서로 다른 분자의 스노우 라인이 발견된다.

 

 

갓태어난 행성계에 쌓인 눈 - 행성과 혜성의 생성을 위한 얼어붙은 풍경

 

멀리 떨어진 갓 만들어진 행성계에서 만년설의 한계선인 스노우 라인이 사상 최초로 촬영되었다.

행성과 혜성의 형성에 대해 더 많은 정보를 말해줄 것으로 보이는, 우리 태양과 같은 별인 TW Hydrae주변의 원반에 위치하고 있는 이 스노우 라인은 이들의 조성과 태양계의 역사를 결정할 수 있도록 해주는 요소들이다.

이번 연구 결과는 오늘 사이언스 익스프레스지에 발표되었다.

   천문학자들이 ALMA(the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)를 활용하여 갓 태어난 행성계에 형성된 스노우 라인의 이미지를 사상 최초로 촬영하였다.

지구에서 스노우 라인이란 기온이 대기상의 수증기를 눈으로 바꾸는 고도한계선을 말한다.

이 선은 정상에 눈을 이고 있으면서 그 눈이 끝나고 바위가 드러나기 시작하는 형태로 명확하게 확인할 수 있다.

 

어린 별 주위를 둘러싸고 있는 스노우 라인 역시 유사한 원리로 형성되는데, 별로부터 거리가 멀어질수록 행성계 먼지원반의 기온이 점점 떨어지면서 형성된다.

별로부터 출발해서 외곽으로 점점 멀어질 때 물이 처음으로 얼어붙는 지점에서 첫번재 스노우 라인이 형성되게 된다.

그리고 별로부터 점점 더 멀어질수록 기온은 더더욱 떨어지게 되고 이산화탄소나 메탄, 일산화탄소와 같은 분자들도 얼어붙으며 눈으로 변하게 된다.

이처럼 서로 다른 성분으로 만들어진 눈은 먼지 알갱이에 끈적끈적한 외피를 입히게 되고, 이로인해 먼지알갱이들이 충돌시 깨지게 되는 일반적인 성질을 극복하는데 핵심적인 역할을 수행하면서 이들이 행성이나 혜성의 형성에 있어 의 결정적인 벽돌이 될 수 있도록 해준다. 

이 눈은 또한 행성계가 형성되는데 유용한 고체 물질들의 양을 증가시키고 행성계 형성과정의 속도를 드라마틱하게 증가시키기도 한다.

 

물과 이산화탄소, 메탄과 일산화탄소가 각각 갖게되는 서로 다른 스노우 라인은 특정한 유형의 행성이 형성되는 것과도 연관이 있는것 같다.[1]

우리 태양계와 같은 행성계에 우리 태양과 같은 별 주변이라면 물의 스노우라인은 화성과 목성 사이로 대응되는 거리에 자리잡게 될 것이고 일산화 탄소의 스노우라인은 해왕성의 공전궤도 정도에 대응될 것이다.

ALMA에 의해 처음으로 식별된 스노우라인은, 지구로부터 175광년 떨어진 젊은 별인 TW Hydrae 주변을 감싸고 있는 일산화탄소 스노우라인이다.

 

천문학자들은 이제 막 만들어지고 있는 이 행성계가 우리 태양계의 고작 수백만년 정도밖에 되지 않았던 시절과 많은 동일한 특성들을 공유하고 있을 것으로 생각하고 있다.

 

 

 

 사진1> 이 사진은 별의 주위에 형성된 일산화탄소 눈이 위치하는 지역을 보여주고 있다.

일산화탄소가 초록색으로 표시되어 있으며 TW Hydrae로부터 30AU거리부터 시작되고 있다.

일산화탄소가 행성이나 혜성의 형성에 반드시 필요하다는 것은 차치하고서라도 일산화탄소는 생명체에 필요한 기본 물질인 메탄올을 만드는데 있어서도 반드시 필요한 물질이다.

 

이번 연구논문의 두 명의 수석저자 중 한명인 미국 캠브리지 하바드 스미스소니언 천문 센터의 Chunhua “Charlie” Qi의 소감은 다음과 같다.
"ALMA는 어린 별 주위를 둘러싼 스노우 라인의 실제 사진을 처음으로 우리에게 제공해 주었죠.
이것은 우리 태양계의 초기 역사에 대해 우리에게 말해줄 수 있다는 점에서 엄청나게 흥분되는 일이었습니다.
이제 우리는 이전에는 볼 수 없었던 우리 태양계와 같은 외계 행성계의 빙점 바깥쪽 영역에 대한 세부적인 모습을 볼 수 있게 되었답니다."

그러나 일산화탄소 스노우라인의 존재는 행성의 형성이라는 측면보다도 훨씬더 중요하게 다루어질 수 있다.

고체상태의 일산화탄소는 생명체의 본질을 이루는 훨씬 더 복잡한 유기분자를 형성하는데 벽돌이되는 메탄올을 형성시키는데 반드시 필요한 물질인 것이다.

만약 혜성이 이 분자를 지구와 같은 행성에 나르게 되면 이 행성은 생명탄생에 필수적으로 필요한 재료를 갖추게 되는 것이다.

 

이제껏 스노우 라인이 직접 촬영된 적은 없다. 왜냐하면 이 스노우라인은 원시행성원반계 평원의 안쪽에서 상대적으로 좁게 나타나기 때문이다.
그래서 이들의 정확한 위치와 범위를 결정할 수 없었던 것이다.

스노우라인이 존재하는 좁은 지역의 위 아래로는 별의 복사열로 인해 얼음의 생성이 방해받게 된다.

원시은하원반계 중심부에 집중된 먼지와 가스는 별의 복사로부터 보호받고 있는 지역이 필요하다.

그래야만 일산화탄소나 다른 가스들이 차가와지고 얼어붙을 수 있는 것이다.

 

연구팀은 묘책을 써서 이 눈덩이가 존재하는 원반의 안쪽을 들여다보는데 성공했다.

어차피 이 눈덩이를 직접적으로 관측하는 것은 불가능하기 때문에 연구팀은 눈덩이를 직접 찾는대신 디아조늄(N2H+)으로 알려져 있는 분자를 찾았다.
이 분자는 스펙트럼의 밀리미터단위 일부분에서 밝게 빛을 내는데 이러한 관측대상을 찾는데는 ALMA와 같은 관측기구가 제격인 것이었다.

 

이 분해되기 쉬운 분자는 일산화탄소 가스가 있는 경우 쉽게 파괴된다. 그래서 만약 이 분자가 관측가능할만큼 몰려 있는 지역이 있다면 이 지역은 일산화탄소가 반드시 고체 상태로 존재하여야만 이 분자가 더 이상 파괴되지 않고 남아 있을 수 있는 것으로 유추될 수 있는 것이다.

본질적으로 일산화탄소 눈을 찾는데 핵심이 되는 것은 디아조늄을 찾는데 달린 것이었던 셈이다.

 

ALMA는 천문학자들이 디아조늄의 존재와 분포를 추적할 수 있도록 해 주는 독보적인 감도와 해상도를 가지고 있으며 별로부터 30AU에 달하는 경계까지 명확하게 대상을 찾아낼 수 있다.

이러한 기능은 TW Hydrae를 둘러싼 원반에서 일산화탄소 눈에 대한 네거티브 이미지를 효과적으로 제공하였으며 이 자료를 근거로 일산화탄소의 스노우 라인이 있어야 할 것으로 예측된 곳 - 디아조늄 고리의 안쪽 모서리 - 에서 정확히 일산화탄소 스노우라인을 발견하는데 사용될 수 있었다.

 

네덜란드 레이덴 천문대의 Michiel Hogerheijde은 다음과 같이 자신의 소감을 말했다.

"이번 관측을 위해서 우리는 ALMA가 갖추고 있는 총 66개 안테나중 26개만을 사용하였습니다.
다른 별들의 주위에 존재하는 스노우 라인의 징후가 또다른 ALMA 관측을 통해서 이미 밝혀지고 있습니다.
우리가 앞으로 전파망원경 전체 배열을 모두 사용하게 되면 훨씬 더 많은 정보들을 밝혀낼 수 있을 것이며 행성의 형성과 진화에 대해 보다 흥미진진한 통찰이 제공될 것이라고 확신합니다. 조금만 기다려 보세요. 그러면 아시게 될겁니다. "

 

 

 

 

사진 2> 파란색 원은 우리 태양계의 크기와 비교했을 때 해왕성의 공전궤도를 표시한 것이다.

일산화탄소가 얼음으로 변하는 지역은 또한 플루토나 이리스와 같은 왜소행성이나 혜성과 같은 작은 얼음천체들이 존재하는 지역의 안쪽 한계선이 될 수도 있다.

 
각주

[1] 예를 들어 건조한 암석질 행성은 스노우 라인 중 오직 먼지만이 존재하는, 별과 가장 가까이에서 형성되는 물의 스노우 라인 안쪽에 위치하게 된다. 그러나 그 반대로 얼어 있는 거대 행성들은 일산화탄소의 스노우라인 바깥쪽에 위치하게 된다.

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2013년 7월 18일자 
          http://www.eso.org/public/news/eso1333/
        

참고> 바다뱀자리 TW별에서 행성이 만들어지고 있음을 알려주는 원시 행성 원반에 대해 2013년 6월 13일 허블사이트에서  뉴스로 발표된 바 있습니다. 하기 링크를 참고하세요.
          https://big-crunch.tistory.com/12346661

 

 

원문>

 

그림1>

Artist’s impression of snow lines around TW Hydrae

An artist's concept of the snow line in TW Hydrae showing water ice covered dust grains in the inner disc (4.5–30 astronomical units, blue) and carbon monoxide ice covered grains in the outer disc (>30 astronomical units, green). The transition from blue to green marks the carbon monoxide snow line. The snow helps grains of dust to adhere to each other by providing a sticky coating, which is essential to the formation of planets and comets. Due to the different freezing points of different chemical compounds, different snow lines can be found at various distances from the star.

Credit:

B. Saxton & A. Angelich/NRAO/AUI/NSF/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

 

Snow in an Infant Planetary System

 

A frosty landmark for planet and comet formation

 

18 July 2013

A snow line has been imaged in a far-off infant planetary system for the very first time. The snow line, located in the disc around the Sun-like star TW Hydrae, promises to tell us more about the formation of planets and comets, the factors that decide their composition, and the history of the Solar System. The results are published today in Science Express.

 

Astronomers using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) have taken the first ever image of the snow line in an infant planetary system. on Earth, snow lines form at high altitudes where falling temperatures turn the moisture in the air into snow. This line is clearly visible on a mountain, where the snow-capped summit ends and the rocky face begins.

 

The snow lines around young stars form in a similar way, in the distant, colder reaches of the dusty discs from which planetary systems form. Starting from the star and moving outwards, water (H

₂O) is the first to freeze, forming the first snow line. Further out from the star, as temperatures drop, more exotic molecules can freeze and turn to snow, such as

carbon dioxide (CO

₂),

methane (CH

₄), and

carbon monoxide (CO). These different snows give the dust grains a sticky outer coating and play an essential role in helping the grains to overcome their usual tendency to break up in collisions, allowing them to become the crucial building blocks of planets and comets. The snow also increases how much solid matter is available and may dramatically speed up the planetary formation process.

 

Each of these different snow lines — for water, carbon dioxide, methane and carbon monoxide — may be linked to the formation of particular kinds of planets [1]. Around a Sun-like star in a planetary system like our own, the water snow line would correspond to a distance between the orbits of Mars and Jupiter, and the carbon monoxide snow line would correspond to the orbit of Neptune.

 

The snow line spotted by ALMA is the first glimpse of the carbon monoxide snow line, around TW Hydrae, a young star 175 light-years away from Earth. Astronomers believe this budding planetary system shares many of the same characteristics of the Solar System when it was just a few million years old.

 

“ALMA has given us the first real picture of a snow line around a young star, which is extremely exciting because of what it tells us about the very early period in the history of the Solar System,” said Chunhua “Charlie” Qi (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, USA) one of the two lead authors of the paper. “We can now see previously hidden details about the frozen outer reaches of another planetary system similar to our own.”

 

But the presence of a carbon monoxide snow line could have greater consequences than just the formation of planets. Carbon monoxide ice is needed to form methanol, which is a building block of the more complex organic molecules that are essential for life. If comets ferried these molecules to newly forming Earth-like planets, these planets would then be equipped with the ingredients necessary for life.

 

Before now, snow lines had never been imaged directly because they always form in the relatively narrow central plane of a protoplanetary disc, so their precise location and extent could not be determined. Above and below the narrow region where snow lines exist, the star’s radiation prevents ice formation. The dust and gas concentration in the central plane is necessary to insulate the area from the radiation so that carbon monoxide and other gases can cool and freeze.

 

This team of astronomers succeeded in peering inside this disc to where the snow has formed with the help of a clever trick. Instead of looking for the snow — as it cannot be observed directly — they searched for a molecule known as diazenylium (N

₂H⁺), which shines brightly in the millimetre portion of the spectrum, and so is a perfect target for a telescope such as ALMA. The fragile molecule is easily destroyed in the presence of carbon monoxide gas, so would only appear in detectable amounts in regions where carbon monoxide had become snow and could no longer destroy it. In essence, the key to finding carbon monoxide snow lies in finding diazenylium.

 

ALMA's unique sensitivity and resolution has allowed the astronomers to trace the presence and distribution of diazenylium and find a clearly defined boundary approximately 30 astronomical units from the star (30 times the distance between the Earth and the Sun). This gives, in effect, a negative image of the carbon monoxide snow in the disc surrounding TW Hydrae, which can be used to see the carbon monoxide snow line precisely where theory predicts it should be — the inner rim of the diazenylium ring.

 

"For these observations we used only 26 of ALMA's eventual full complement of 66 antennas. Indications of snow lines around other stars are already showing up in other ALMA observations, and we are convinced that future observations with the full array will reveal many more of these and provide further, exciting insights into the formation and evolution of planets. Just wait and see,” concludes Michiel Hogerheijde from Leiden Observatory, the Netherlands.

 

Notes

 

[1] For instance dry rocky planets form on the inner side of the water snow line (nearest the star), where only dust can exist. At the other extreme are the icy giant planets which form beyond the carbon monoxide snow line.

 

More information

 

The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an international astronomy facility, is a partnership of Europe, North America and East Asia in cooperation with the Republic of Chile. ALMA is funded in Europe by the European Southern Observatory (ESO), in North America by the U.S. National Science Foundation (NSF) in cooperation with the National Research Council of Canada (NRC) and the National Science Council of Taiwan (NSC) and in East Asia by the National Institutes of Natural Sciences (NINS) of Japan in cooperation with the Academia Sinica (AS) in Taiwan. ALMA construction and operations are led on behalf of Europe by ESO, on behalf of North America by the National Radio Astronomy Observatory (NRAO), which is managed by Associated Universities, Inc. (AUI) and on behalf of East Asia by the National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). The Joint ALMA Observatory (JAO) provides the unified leadership and management of the construction, commissioning and operation of ALMA.

 

This research was presented in a paper appearing in the 18 July 2013 issue of Science Express.

 

The team is composed of C. Qi (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, USA), K. I. Öberg (Departments of Chemistry and Astronomy, University of Virginia, USA), D. J. Wilner (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, USA), P. d’Alessio (Centro de Radioastronomía y Astrofisica, Universidad Nacional Autónoma de Mexico, Mexico), E. Bergin (Department of Astronomy, University of Michigan, USA), S. M. Andrews (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, USA), G. A. Blake (Division of Geological and Planetary Sciences, California Institute of Technology, USA), M. R. Hogerheijde (Leiden Observatory, Leiden, Netherlands) and E. F. van Dishoeck (Leiden Observatory, Leiden, Netherlands; Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Germany).

 

Qi and Öberg were joint lead authors of this work.

 

ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It is supported by 15 countries: Austria, Belgium, Brazil, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom. ESO carries out an ambitious programme focused on the design, construction and operation of powerful ground-based observing facilities enabling astronomers to make important scientific discoveries. ESO also plays a leading role in promoting and organising cooperation in astronomical research. ESO operates three unique world-class observing sites in Chile: La Silla, Paranal and Chajnantor. At Paranal, ESO operates the Very Large Telescope, the world’s most advanced visible-light astronomical observatory and two survey telescopes. VISTA works in the infrared and is the world’s largest survey telescope and the VLT Survey Telescope is the largest telescope designed to exclusively survey the skies in visible light. ESO is the European partner of a revolutionary astronomical telescope ALMA, the largest astronomical project in existence. ESO is currently planning the 39-metre European Extremely Large optical/near-infrared Telescope, the E-ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.

 

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Michiel Hogerheijde
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사진1>

ALMA image of the carbon monoxide snow line

This ALMA image shows the region where carbon monoxide snow has formed around the star. The carbon monoxide is shown here in green, and begins at a distance of more than 30 astronomical units from TW Hydrae. Aside from being necessary for planetary and comet formation, carbon monoxide is needed for the creation of methanol which is a fundamental building block required for life.

Credit:

ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

 

사진2>

Snow line distance compared to the Solar System

This image, taken from the ALMA observatory in Chile, shows the region (in green) where carbon monoxide snow has formed around the star TW Hydrae (indicated at centre). The blue circle represents where the orbit of Neptune would be when comparing it to the size of the Solar System. The transition to carbon monoxide ice could also mark the inner boundary of the region where smaller icy bodies like comets and dwarf planets like Pluto and Eris would form.

Credit:

ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)