자갈 크기의 우주먼지가 행성 형성을 촉진시킨다는 가설

 

Credit: S. Schnee, et al.; B. Saxton, B. Kent (NRAO/AUI/NSF); We acknowledge the use of NASA's SkyView Facility located at NASA Goddard Space Flight Center.

 

사진1> 라디오파와 가시광 파장으로 촬영한 사진을 합성한 이 사진은 오리온 분자구름 복합체의 별생성 필라멘트인 OMC-2/3 의 모습을 보여주고 있다.
오렌지 색으로 보이는 것이 GBT의 데이터이다.
독특하게 큰 크기를 가진 먼지 알갱이들이 행성의 형성을 보다 빠르게 만드는 것으로 생각된다.

 

 

오리온 록! - 자갈 크기의 우주먼지가 행성 형성을 촉진시키는 것일지도 모른다.

 

지구와 같은 암석질행성은 모래알보다도 훨씬 작은 먼지 알갱이로부터 시작되는 것으로 보이며 이론상 예측도 이와 같다.

 

그런데 천문학자들이 국립과학재단의 그린뱅크망원경(Green Bank Telescope, 이하 GBT)을 이용하여 발견한 오리온 성운 근처의 별생성 가스 필라멘트들은 자갈 크기의 입자들이 넘쳐나는 것으로 보인다.
이는 원시별 주변에서 전형적으로 발견되는 먼지 알갱이들보다 100배에서 1000배에 이르는 크기를 가진 행성 형성의 벽돌들이다.
이 관측결과가 확정된다면 암석질 물질로 구성된 이 고밀도 덩어리들은 행성 형성을 더 빠르게 촉진시키는 새로운, 중간 크기의 성간 입자들로서 확정될 것으로 보인다.

 

국립전파천문대의 천문학자 스콧 쉬니(Scott Schnee)의 설명은 다음과 같다.
"GBT에 의해 발견된 이 커다란 먼지 알갱이들은, 최소한 몇몇 원시별은 행성 형성을 촉발시키는 환경을 가지고 있을지도 모른다는 점을 말해주고 있습니다.
만약 누군가 집을 짓는다면 자갈보다는 벽돌로 집을 짓기 시작하는게 더 좋은 방법이겠죠.
행성 형성에 대해서도 이와 같은 얘기를 할 수 있습니다."

 

 

이번 GBT관측은 북반구에 위치하고 있는, 오리온 성운으로 유명한 별 생성구역인 오리온 분자구름 복합체에 대한 광범위한 관측을 통해 이루어졌다.
GBT에 의해 연구된 이 별생성 물질들이 몰려있는 지역은 OMC-2/3 라는 이름을 가지고 있으며 기다란 먼지 필라멘트들이 몰려있는 곳이다.

 

 

 

Credit: S. Schnee, et al.; B. Saxton, B. Kent (NRAO/AUI/NSF); We acknowledge the use of NASA's SkyView Facility located at NASA Goddard Space Flight Center. Credit: S. Schnee et al.; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

 

사진2> OMC-2/3 지역의 확대 사진(위), OMC-2/3 지역의 필라멘트를 촬영한 GBT 데이터(아래)

 

이 필라멘트들은 코어라는 이름의 수많은 고밀도 점들로 가득 차있다.
다른 대부분의 코어가 원시별의 생성에 투여되는데 반해 몇몇 코어들은 이제 막 합체를 시작하였다.
이때, 먼저 합체가 시작된 먼지나 가스들은 별 생성의 길을 걷게 된다.
천문학자들은 향후 10만년에서 100만년 정도의 시간이 지나면 이 지역은 새로운 성단으로 진화하게 될 것으로 계산하고 있다.
OMC-2/3 지역은 지구로부터 1500광년 거리에 위치하고 있으며 그 폭은 10광년 정도이다.

 

스페인 IRAM 30미터 전파 망원경의 관측을 기반으로 작성된 이 지역의 지도를 기반으로 천문학자들은 이보다는 더 긴파장의 관측이 가능한 GBT를 통해 이 지역의 필라멘트들을 관측함으로써, 우주먼지의 발광을 유도하는 특정 광원을 발견하게 될 것으로 기대했다.

그러나 GBT 관측 결과는 이 지역이 밀리미터 파장의 빛에서 예상된 것보다 훨씬 더 밝은 빛을 띠고 있음을 발견했다.

 

쉬니의 설명은 다음과 같다.
"이러한 사실은 이 지역에 존재하는 물질들이 일반 성간 먼지로서 예상된 것과는 다른 속성을 가지고 있음을 의미하는 것이었습니다.
특히 이 입자들은 밀리미터 파장에서 예상된 복사보다 훨씬 더 효율적으로 복사를 하고 있었기 때문에 이 먼지 알갱이들은 최소한 밀리미터 정도의 직경을 가지고 있을 가능성이 더 많았고, 심지어는 센티미터 단위의 직경이나 비교하자면 레고 블럭 정도의 크기를 가지고 있을 가능성이 있을 것으로 보입니다."
 

이러한 크기는 가장 작은 크기를 가진 소행성에 비교해서는 엄청나게 작은 크기이긴 하지만 별들을 만들어내고 있는 지역의 먼지 알갱이로는 놀랍도록 큰 크기에 해당한다.

 

 

오리온 분자구름 복합체의 이 독특한 환경에 대해 과학자들은 그 기원을 흥미로운 두 가지 가설로 제안하고 있다.

 

첫번째는 필라멘트들 자체가 먼지 알갱이들이 이처럼 독특한 구성을 갖도록 몸집을 불리는데 도움을 주고 있다는 것이다.
이 지역은 다른 일반적인 분자구름들과 비교해서 온도는 낮고, 밀집도는 높으며, 느린 속도를 보이고 있다.
이러한 속성들이 모두 먼지 알갱이가 몸집을 불리는데 기여를 했을 것으로 보고 있다.

 

두번째 시나리오는 이미 이전 세대의 코어 내부에서 심지어는 원시행성계 원반 내에서 애초부터 이 알갱이들이 몸집을 불린 상태일 것이라는 것이다.
이렇게 몸집을 불린 먼지알갱이들이 새로 생성되는 행성계의 일원이 되지 못하고 주위를 둘러싼 분자구름으로 밀려나왔을 것이라는 가설이다.

 

 NRAO의 천문학자 제이 로크맨(  Jay Lockman)의 의견은 다음과 같다.
"일반적인 성간 먼지보다 자갈크기의 먼지들로 구성된 광대한 물질들의 흐름을 연구원들이 발견했습니다.
우리는 이미 점과 같은 우주먼지들에 대해 알고 있고, 소행성이나 행성 크기의 물질들에 대해서도 알고 있죠.
그러나 만약 우리가 이번 연구 결과를 확정지을 수 있다면 성간 우주공간에서 새로운 유형의 암석질 입자를 추가하게 되는 셈입니다."

 

가장 최근 데이터는 GBT의 고주파 화상카메라인 무스탕(MUSTANG)을 통해 습득되었다.
이를 통해 습득된 데이터는 이전에 수행된 연구데이터 뿐 아니라 오리온 분자구름 내의 암모니아 분자 관측을 통해 얻은 온도측정 자료와도 비교작업이 수행되었다.

 

이번 논문의 공동저자인 NRAO 의 천문학자 브라이언 메이슨(Brian Mason)의 소감은 다음과 같다.
"비록 우리의 연구결과가 예상치 못한 크기의 먼지 알갱의 존재를 암시하고는 있지만 그 질량의 측정이 직접적으로 이루어진 것은 아닙니다.
따라서 우리가 오리온 분자구름 복합체의 복사로부터 감지한 밝은 신호가 다른 식으로 해석될 가능성은 여전히 존재합니다.
우리 연구팀은 이 환상적인 지역에 대한 연구를 계속 진행할 예정입니다.
이 지역은 다른 분자구름들보다 훨씬더 높은 밀집도를 보여주고 있는 원시별의 생성구역 중 하나이기 때문에 천문학자들의 호기심을 충족시켜줄만한 재미있는 일이 계속 벌어질 겁니다."
 
이번 논문은 당월 왕립천문학회지의 개재가 결정되었다.

 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2014년 8월 27일자 
         https://public.nrao.edu/news/pressreleases/dust-grains-orion

 

참고 : 오리온 분자구름복합체를 비롯한 각종 성운에 대한 포스트는 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346974

 

원문>

For Release: August 27, 2014

Orion Rocks! Pebble-Size Particles May Jump-Start Planet Formation

Rocky planets like Earth start out as microscopic bits of dust tinier than a grain of sand, or so theories predict.

Astronomers using the National Science Foundation’s (NSF) Green Bank Telescope (GBT) have discovered that filaments of star-forming gas near the Orion Nebula may be brimming with pebble-size particles -- planetary building blocks 100 to 1,000 times larger than the dust grains typically found around protostars. If confirmed, these dense ribbons of rocky material may well represent a new, mid-size class of interstellar particles that could help jump-start planet formation.

"The large dust grains seen by the GBT would suggest that at least some protostars may arise in a more nurturing environment for planets," said Scott Schnee, an astronomer with the National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in Charlottesville, Virginia. "After all, if you want to build a house, it’s best to start with bricks rather than gravel, and something similar can be said for planet formation."

The new GBT observations extend across the northern portion of the Orion Molecular Cloud Complex, a star-forming region that includes the famed Orion Nebula. The star-forming material in the section studied by the GBT, called OMC-2/3, has condensed into long, dust-rich filaments. The filaments are dotted with many dense knots known as cores. Some of the cores are just starting to coalesce while others have begun to form protostars -- the first early concentrations of dust and gas along the path to star formation. Astronomers speculate that in the next 100,000 to 1 million years, this area will likely evolve into a new star cluster. The OMC-2/3 region is located approximately 1,500 light-years from Earth and is roughly 10 light-years long. 

Based on earlier maps of this region made with the IRAM 30 meter radio telescope in Spain, the astronomers expected to find a certain brightness to the dust emission when they observed the filaments at slightly longer wavelengths with the GBT.

Instead, the GBT discovered that the area was shining much brighter than expected in millimeter-wavelength light. 

"This means that the material in this region has different properties than would be expected for normal interstellar dust,” noted Schnee. “In particular, since the particles are more efficient than expected at emitting at millimeter wavelengths, the grains are very likely to be at least a millimeter, and possibly as large as a centimeter across, or roughly the size of a small Lego-style building block."

Though incredibly small compared to even the most modest of asteroids, dust grains on the order of a few millimeters to a centimeter are incredibly large for such young star-forming regions. Due to the unique environment in the Orion Molecular Cloud Complex, the researchers propose two intriguing theories for their origin.

The first is that the filaments themselves helped the dust grains grow to such unusual proportions. These regions, compared to molecular clouds in general, have lower temperatures, higher densities, and lower velocities -- all of which would encourage grain growth.

The second scenario is that the rocky particles originally grew inside a previous generation of cores or perhaps even protoplanetary disks. The material could then have escaped back into the surrounding molecular cloud rather than becoming part of the original newly forming star system.

"Rather than typical interstellar dust, these researchers appear to have detected vast streamers of gravel -- essentially a long and winding road in space," said NRAO astronomer Jay Lockman, who was not involved in these observations. "We've known about dust specks and we have known that there are things the size of asteroids and planets, but if we can confirm these results it would add a new population of rocky particles to interstellar space."  

The most recent data were taken with the Green Bank Telescope's high frequency imaging camera, MUSTANG. These data were compared with earlier studies as well as temperature estimates obtain from observations of ammonia molecules in the clouds.

"Though our results suggest the presence of unexpectedly large dust grains, measuring the mass of dust is not a straightforward process and there could be other explanations for the bright signature we detected in the emission from the Orion Molecular Cloud," concluded Brian Mason, an astronomer at the NRAO and co-author on the paper. "Our team continues to study this fascinating area. Since it contains one of the highest concentrations of protostars of any nearby molecular cloud it will continue to excite the curiosity of astronomers."

A paper detailing these results is accepted for publication in the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

The GBT is the world's largest fully steerable radio telescope. Its location in the National Radio Quiet Zone and the West Virginia Radio Astronomy Zone protects the incredibly sensitive telescope from unwanted radio interference.

Later this year, the GBT will receive two new, more advanced high frequency cameras: MUSTANG-1.5, the even-more-sensitive successor to MUSTANG, and ARGUS, a camera designed for mapping the distribution of organic molecules in space.

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