ALMA 관측을 통해 혜성의 대기에서 생성된 유기분자를 확인하다.

국제 연구팀이 ALMA를 이용하여 아이손 혜성과 레본 혜성을 감싸고 있는 희미한 대기를 놀라운 입체 사진으로 만들어냈다.
이번 새로운 관측 결과는 혜성이 어떻게, 어디에서 흥미로운 유기화학물을 포함한 새로운 화학물질들을 만들어내는지에 대한 중요한 통찰을 제공해주고 있다.

 

혜성은 태양계에서 가장 오래되고 가장 근원적인 물질들을 포함하고 있다.
이들의 독특한 화학적 성질을 이해하면 우리 행성의 탄생과 오늘날 생명체를 구성하는 기본단위가 되는 유기화합물의 기원을 밝혀줄 수 있을 것이다.

 

ALMA의 고해상도 관측자료는 이 두개 혜성의 대기 또는 코마 내에 존재하는 분자들의 분포에 대해 흥미로운 입체 영상을 제공해주었다.

 

미국 카톨릭 대학의 천체화학자이며 고다드 우주비행센터에 재직중인 연구팀의 리더 마틴 코디너(Martin Cordiner)의 소감은 다음과 같다.
"우리는 처음으로 중요 분자들의 분포도를 만들어 냈습니다. 이는 혜성의 본성을 이해할 수 있도록 해주는 단서입니다."

 

ALMA 관측을 이용하여 추출해낸 입체적인 성분분포는 3개의 중요 유기분자로부터 얻은 고해상도 분광분석자료를 포함한 고해상도 2차원 사진들을 합성하여 만들어졌다.
이 중요 유기분자들은 각각 시안화 수소(HCN), 이소시안화 수소(HNC)와 포름알데히드(H2CO)이다.
이 분자들의 분광데이터는 각 사진의 모든 지점에서 관측되었다.

 

이들은 분자의 존재여부뿐 아니라 분자들의 움직임도 함께 규명해 냈는데, 3차원으로 제공된 사진은 혜성 대기의 깊이도 함께 보여주고 있다.
이번 연구 결과는 시안화 수소 가스가 핵으로부터 모든 방향으로 균일하게 바깥으로 흘러나오고 있는 양상을 보여주고 있으며
이에 반해 이소시안화 수소는 덩어리로 몰려있거나 제트에 몰려있었다.

 

Credit: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); M. Cordiner, NASA, et al.

 

사진1> ALMA가 촬영한 아이손 혜성 대기의 유기분자 복사

 

Credit: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); M. Cordiner, NASA, et al.

 

사진2> ALMA가 촬영한 레몬 혜성 대기의 유기분자 복사
 

ALMA의 정밀한 해상도는 매일 단위로, 심지어는 시간단위로 이 덩이들이 혜성의 코마에서 다른 지역으로 움직이고 있음을 보여주었다.

이처럼 명백하게 구분되는 패턴은 이소시안화 수소와 포름알데이드가 실제로는 코마 안에서 형성된다는 점을 확증해 주고 있으며 이소시안화 수소의 경우 보다 큰 분자구성체나 유기먼지가 붕괴되면서 만들어지는 것일지도 모른다는 새로운 증거를 제공해주고 있다.

 

이번 논문의 공동 저자이자 고다드 천체생물학 센터의 감독관인 마이클 뭄마(Michael Mumma)의 설명은 다음과 같다.
"유기물질의 이해는 매우 중요합니다. 왜냐하면 이러한 물질들은 대기에 진입하는 동안 발생할 수 있는 파괴에 대해 더 큰 내구성을 보여주기 때문이죠.
따라서 어떤 유기물질들은 초기 지구와의 충돌시 혜성으로부터 유입되어 생명의 탄생을 촉발시켰을 수 있죠."

 

이번 논문의 공동저자이자 국립전파천문대의 천문학자 안토니 레미잔(Anthony Remijan)의  소감은 다음과 같다.
"ALMA의 관측 데이터는 우리로 하여금 코마의 개개 분자를 식별할 수 있도록 해 주었을 뿐 아니라, 우수한 감도를 이용하여 이 분자들의 분포를 알 수 있게 해 주었답니다."

 

오늘 아스트로피지컬 저널(the Astrophysical Journal)에 개재된 논문은 오늘날 레몬혜성이나 아이손혜성과 같은 혜성들이 상대적으로 이와 같은 핵심적인 분자들을 적게 가지고 있기 때문에 지상에 자리잡고 있는 망원경으로 이들을 깊이있게 탐색하는 것이 매우 어렵다는 측면에서 중요한 내용이라 할 수 있다.

 

지금까지 수행된 얼마되지 않는 포괄적인 연구는 헤일-밥 혜성과 같이 극단적인 밝기를 가진 혜성에 대한 연구에 한정되어 있다.
이번 연구 결과는 이러한 연구의 폭을 중간 정도의 밝기를 가진 혜성에까지 확대시켜준 것이다.

 

C/2012 S1 이라는 공식 명칭을 가진 아이손 혜성은 2013년 11월 15일부터 17일 사이, 태양으로부터 7천 5백만 킬로미터-이는 지구와 태양 거리의 반 정도에 해당한다- 거리에 위치할 당시 ALMA에 의해 관측되었다.

 

Credit: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); NASA/ESA Hubble; M. Cordiner, NASA, et al.

 

그림1> ALMA 관측 당시 태양계에서 아이손 혜성의 위치

 

Credit: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); Gerald Rhemann; M. Cordiner, NASA, et al.

 

그림2> ALMA 관측 당시 태양계에서 레본 혜성의 위치

ALMA가 레몬혜성(공식명칭 : C/2012 F6)을 관측한 것은 2013년 6월 1일~2일 이었으며 당시 레몬혜성은 태양으로부터 태양과 지구 거리의 1.5배 정도에 해당하는 2억 2천 4백만 킬로미터 거리에 위치하고 있었다.

 

논문의 공동저자인 고다드 센터의 스테파니 밀람(Stefanie Milam)의 소감은 다음과 같다.
"이번 연구를 통해 수행된 고감도 기술은 아마도 수백배는 더 희미하고 훨씬 더 멀리 떨어진 혜성들을 관측하기 위한 길을 닦은 것이라고 할 수 있습니다.
이번 발견은 지금까지 감지해내기에 너무나도 희미했던 혜성에 대해 훨씬더 복잡한 분자의 분포 양상 역시 반드시 규명될 수 있으리라는 점을 말해주고 있습니다."

 

Credit: Visualization by Brian Kent (NRAO/AUI/NSF)

동영상> 이 입체 동영상은 레몬 혜성의 핵에서 시안화 수소(HCN) 분자가 어떻게 방출되고 있는지를 보여주고 있다. 
방출된 시안화 수소 분자가 대기, 또는 코마에 고르게 퍼지고 있다.

유사한 분포도는 이소시안화 수소(HNC)와 포름알데히드가 혜성의 핵이 아닌 코마로부터 생성되고 있음을 알려주었다. 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2014년 8월 11일자 
         https://public.nrao.edu/news/pressreleases/comets-alma

참고 : C/2012 S1 아이손 혜성을 비롯한 태양계의 다양한 작은 천체에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          왜소행성 :  https://big-crunch.tistory.com/12346957
          소행성 :  https://big-crunch.tistory.com/12346956
          혜성 :  https://big-crunch.tistory.com/12346955
          유성 :  https://big-crunch.tistory.com/12346954

 

원문>

For release: August 11, 2014

ALMA Confirms Comets Forge Organic Molecules in Their Dusty Atmospheres

An international team of scientists using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) has made incredible 3D images of the ghostly atmospheres surrounding comets ISON and Lemmon. These new observations provided important insights into how and where comets forge new chemicals, including intriguing organic compounds.

Comets contain some of the oldest and most pristine materials in our Solar System. Understanding their unique chemistry could reveal much about the birth of our planet and the origin of organic compounds that are the building blocks of life. ALMA's high-resolution observations provided a tantalizing 3D perspective of the distribution of the molecules within these two cometary atmospheres, or comas.

“We achieved truly first-of-a-kind mapping of important molecules that help us understand the nature of comets,” said team leader Martin Cordiner, a Catholic University of America astrochemist working at NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland.

The critical 3D component of the ALMA observations was made by combining high-resolution, two-dimensional images of the comets with high-resolution spectra obtained from three important organic molecules – hydrogen cyanide (HCN), hydrogen isocyanide (HNC), and formaldehyde (H2CO). These spectra were taken at every point in each image. They identified not only the molecules present but also their velocities, which provided the third dimension, indicating the depths of the cometary atmospheres.

The new results revealed that HCN gas flows outward from the nucleus quite evenly in all directions, whereas HNC is concentrated in clumps and jets. ALMA’s exquisite resolution could clearly resolve these clumps moving into different regions of the cometary comas on a day-to-day and even hour-to-hour basis. These distinctive patterns confirm that the HNC and H2CO molecules actually form within the coma and provide new evidence that HNC may be produced by the breakdown of large molecules or organic dust.

"Understanding organic dust is important, because such materials are more resistant to destruction during atmospheric entry, and some could have been delivered intact to the early Earth, thereby fueling the emergence of life,” said Michael Mumma, director of the Goddard Center for Astrobiology and a co-author on the study. "These observations open a new window on this poorly known component of cometary organics."

“So, not only does ALMA let us identify individual molecules in the coma, it also gives us the ability to map their locations with great sensitivity,” said Anthony Remijan, an astronomer with the National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in Charlottesville, Virginia, and a study co-author.

The observations, published today in the Astrophysical Journal Letters, were also significant because modest comets like Lemmon and ISON contain relatively low concentrations of these crucial molecules, making them difficult to probe in depth with Earth-based telescopes. The few comprehensive studies of this kind so far have been conducted on extremely bright comets, such as Hale-Bopp. The present results extend them to comets of only moderate brightness.

Comet ISON (formally known as C/2012 S1) was observed with ALMA on November 15-17, 2013, when it was only 75 million kilometers from the Sun (about half the distance of the Earth to the Sun). Comet Lemmon (formally known as C/2012 F6) was observed on June 1-2, 2013, when it was 224 million kilometers from the Sun (about 1.5 times the distance of the Earth to the Sun).

"The high sensitivity achieved in these studies paves the way for observations of perhaps hundreds of the dimmer or more distant comets,” said Goddard’s Stefanie Milam, a study co-author. “The findings suggest that it should also be possible to map more complex molecules that have so far eluded detection in comets.”

This research was funded by the NASA Astrobiology Institute through the Goddard Center for Astrobiology and by NASA’s Planetary Atmospheres and Planetary Astronomy programs.

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The National Radio Astronomy Observatory is a facility of the National Science Foundation, operated under cooperative agreement by Associated Universities, Inc.

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.

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