별이 존재하지 않는 성운의 중심에서 무거운 별의 생성에 대한 비밀찾기

 

Credit: Bill Saxton (NRAO/AUI/NSF); ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

 

사진설명> ALMA의 데이터는 두 개의 질소원자에 하나의 중수소로 이루어진 N2D+ 이온분자구름의 복사선을 촬영한 것으로 두 개의 주요 분자구름 핵심부를 보여주고 있다.
그 중 오른쪽에 있는 것은 특별이 더 밝고 둥근 형태를 띠고 있는데 이는 자체 중력에 얽혀 하나의 무거운 별을 만들 준비를 갖춘 분자구름임을 보여주고 있다.
이러한 별 생성은 매우 드물게 발생하는 경우이다.
이에 반해 나머지 한 쪽은 좀더 뒤틀리고 파편화된 모습을 띠고 있는데 이는 적은 질량을 가진 여러개의 별을 생성할 가능성이 있는 분자구름이다.
이러한 파편화는 별을 생성하는 분자구름으로는 좀더 일반적인 형태에 해당한다.
 

별이 존재하지 않는 성운의 중심에서 왜 어떤 별들은 다른 별들보다 크게 만들어지는지에 대한 비밀을 찾아내다.

 

우리 태양보다 최소 8배 이상의 질량을 가진 무거운 별들은 흥미로운 수수께끼이다.

우리 은하의 대부분을 차지하는 주요 별들은 왜 일반적으로 추측되는것보다 훨씬 더 큰 규모로 자라게 되는 것일까?

 

이에 대한 답을 찾기 위해 천문학자들이 ALMA를 이용하여 우리 은하에 존재하는 성운들 중 가장 어둡고, 낮은 온도를 가지고 있는 반면 고밀도를 유지하고 있는 성운들을 대상으로 별이 생성되는 흔적을 탐사해보았다.

 

적외선 암흑 성운으로 알려져 있는 이 천체들은 독수리자리와 방패자리 방향으로 대략 1만광년 거리에서 관측되는 천체들이다.

 

이들 성운의 중심은 고밀도의 무거운 질량을 가지고 있기 때문에 중력이 이미 가스의 압력을 압도하고 있으며, 가스들의 붕괴로부터 태양과 같은 질량의 새로운 별들이 만들어진다.

하지만 만약 그 별이 아직 빛을 내기 전이라면 이들은 무언가 다른 요소가 작용하고 있으리라는 힌트를 찾아낼 수 있을 것이다.

 

오늘 'Astrophysical Journal'에 개재된 논문의 주 저자이자 플로리다 대학의 천체물리학자인 조나단 탄(Jonathan Tan)이 강조하는 것은 다음과 같다.
"별이 존재하지 않는 성운의 중심은 우리 태양과 같은 별이 만들어지는 것과 같은 방대한 양의 물질들이 모여들게 만드는 중력을 상쇄할만한 뭔가 다른 힘이 존재한다는 것을 짐작할 수 있게 해줍니다.  

이는 무거운 별들과 우리 태양과 같은 별들이 전 우주적인 별 생성 메커니즘을 따른다는 것을 보여주고 있죠.
유일한 차이점은 이 성운들로부터 생성되는 별의 크기입니다."
 

우리 태양과 같은 일반적인 별들은 고밀도의 상태이지만 상대적으로 낮은 질량 밀집을 보이는 수소와 헬륨, 그리고 거대 분자구름에서 발견되는 다른 원소들이 모여 생애를 시작하게 된다.
주변의 가스들로부터 핵이 처음으로 만들어지고 나서 중력의 영향에 의해 물질들이 붕괴되어 중심에 몰려들고, 그 주변을 궁극적으로는 행성을 만들게 되는, 소용돌이치는 강착 원반의 모습으로 상대적으로 정렬된 양상을 보이게 된다.
이렇게 충분한 질량이 쌓이고 나면 중심에서 핵이 연소되기 시작하면서 별이 탄생하는 것이다.

 

이러한 별 형성 모델은 우리 은하의 대부분의 별들에 대해 설명을 해 줄 수 있지만 좀더 무거운 질량을 가진 별의 생성에 대해서는 뭔가 다른 설명이 필요하다.

 

탄의 설명은 다음과 같다.
"일반적인 붕괴 프로세스를 보충하기 위해서는 몇몇 추가적인 힘의 존재가 반드시 필요합니다.
그렇지 않다면 우리 은하는 명확하게 일률적인 크기의 별들만이 존재했을 것입니다.
별의 생성에 대해서는 완전히 구분되는 두 가지 모델을 고려해야 하죠.

그 하나는 우리 태양과 같은 별들에 대해서이며 다른 하나는 무거운 질량의 별들에 대해서입니다."
 

이를 알아내기 위한 핵심은 무거운 별들이 존재하지 않는 성운의 중심을 찾는 것이다.
이것은 무거운 별들이 탄생하는 애초의 환경을 증언해 줄 수 있기 때문이다.

 

미국과 영국, 이탈리아의 천문학자들로 구성된 연구팀은 ALMA를 이용하여 이 성운의 중심부를 살펴보면서 근본적으로 이 성운들의 온도를 잡아내어 별의 생성이 발생했는지를 알 수 있는 중수소 동위원소를 포함하는 독특한 화학적 신호를 찾아왔다.
중수소는 저온의 환경에서 특정 분자들을 엮어내는 경향이 있기 때문에 매우 중요한 요소에 해당한다.

 

별이 불을 밝히고 주위의 가스를 가열하기 시작하면 중수소는 빠르게 소진되고 일반적인 수소 동위원소로 전환된다.

 

ALMA의 관측 결과는 풍부한 양의 중수소를 보여주고 있는데 이는 이 지역이 여전히 차가우며 일체의 별이 존재하지 않음을 의미한다.
이러한 사실은 이 지역에 빽빽한 중심의 붕괴에 대응되는 모종의 힘이 존재하여 무거운 별들을 생성해낼만한 충분한 시간을 확보하고 있음을 말해주고 있다.

 

이번 연구는 이곳에 성운들을 쌓아올리는 강력한 자기장이 있을 것으로 추정하고 있으며 이 자기장이 빠른 속도의 붕괴를 방해하고 있을 것이라고 추측했다.

 

탄이 내린 결론은 다음과 같다.
"이번에 수행된 ALMA의 관측결과는 우리 태양과 같은 별을 탄생시키기에 매우 유사한 곳이기는 하지만 별의 질량은 수십배 또는 백배 정도 큰 곳을 보여주고 있습니다.

이러한 사실은 별의 크기를 결정하는데 있어 별이 구축되는것 자체보다는 그 환경자체가 훨씬 중요하다는 것을 알려주는 것인지도 모릅니다. "

 

이번 관측은 ALMA의 초기 과학 캠패인 동안 진행되었다.
앞으로 ALMA의 전체 배열인 66개 안테나 망원경으로 연구가 진행되면서 이들 별 생성지역에 대해 훨씬 더 상세한 내용을 밝혀줄 것이다.

 

 Starless Cores: Infrared Dark Clouds N2D+ Data Cube from NRAO Outreach on Vimeo.                                                   

 

 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2013년 12월 20일자
           https://public.nrao.edu/news/pressreleases/starless-cores
        

참고 : 별의 생성 및 각종 별에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 확인할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346972

 

원문>

For Release: Dec. 20, 2013; 11 a.m. EST

Contact: Charles E. Blue, Public Information Officer
(434) 296-0314; cblue@nrao.edu

Starless Cloud Cores Reveal Why Some Stars Are Bigger Than Others

Massive stars – those at least 8 times the mass of our Sun – present an intriguing mystery: how do they grow so large when the vast majority of stars in the Milky Way are considerably smaller?

To find the answer, astronomers used the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) telescope to survey the cores of some of the darkest, coldest, and densest clouds in our Galaxy to search for the telltale signs of star formation.

These objects, known as Infrared Dark Clouds, were observed approximately 10,000 light-years away in the direction of the constellations of Aquila and Scutum.

Since these cloud cores are so massive and dense, gravity should have already overwhelmed their supporting gas pressure, allowing them to collapse to form new, Sun-mass stars. If a star had not yet begun to shine, that would be a hint that something extra was supporting the cloud.

“A starless core would indicate that some force was balancing out the pull of gravity, regulating star formation, and allowing vast amounts of material to accumulate in a scaled-up version of the way our own Sun formed,” remarked Jonathan Tan, an astrophysicist at the University of Florida, Gainesville, and lead author of a paper published today in the Astrophysical Journal. “This suggests that massive stars and Sun-like stars follow a universal mechanism for star formation. The only difference is the size of their parent clouds.”

Average stars like our Sun begin life as dense, but relatively low-mass concentrations of hydrogen, helium, and other trace elements inside large molecular clouds. After the initial kernel emerges from the surrounding gas, material collapses under gravity into the central region in a relatively ordered fashion via a swirling accretion disk, where eventually planets can form. After enough mass accumulates, nuclear fusion begins at the core and a star is born.

While this model of star formation can account for the vast majority of stars in our Milky Way, something extra is needed to explain the formation of more massive stars. “Some additional force is needed to balance out the normal process of collapse, otherwise our Galaxy would have a fairly uniform stellar population,” said Tan. “Alternatively, there has been speculation that two separate models of star formation are needed: one for Sun-like stars and one for these massive stars.”

The key to teasing out the answer is to find examples of massive starless cores – to witness the very beginnings of massive star birth.

The team of astronomers from the United States, the United Kingdom, and Italy used ALMA to look inside these cores for a unique chemical signature involving the isotope deuterium to essentially take the temperatures of these clouds to see if stars had formed. Deuterium is important because it tends to bond with certain molecules in cold conditions. once stars turn on and heat the surrounding gas, the deuterium is quickly lost and replaced with the more common isotope of hydrogen.

The ALMA observations detected copious amounts of deuterium, suggesting that the cloud is cold and starless. This would indicate that some counter force is forestalling core collapse and buying enough time to form a massive star. The researchers speculate that strong magnetic fields may be propping up the cloud, preventing it from collapsing quickly.

“These new ALMA observations reveal objects that are quite similar to the nurseries of Sun-like stars, but simply scaled-up by tens or a hundred times. This may mean that nature is more important than nurture when it comes to determining a star’s size," concludes Tan.

These observations were conducted during ALMA’s early science campaign. Future studies with ALMA’s full array of 66 antennas will uncover even more details about these star-forming regions.

ALMA, an international astronomy facility, is a partnership of Europe, North America and East Asia in cooperation with the Republic of Chile. ALMA construction and operations are led on behalf of Europe by ESO, on behalf of North America by the National Radio Astronomy Observatory (NRAO), 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.



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