원시행성원반에서 처음으로 메틸알콜을 발견하다.

 

Credit:ESO/M. Kornmesser

 

그림 1> 이 상상화는 바다뱀자리의 별인 바다뱀자리 TW 별 주위의 원시행성원반을 그려본 것이다.

이 원시행성원반은 지구에서 가장 가까운 거리에 존재하는 원시행성원반이다.

ALMA를 이용한 관측 결과 이 원시행성원반에서 유기분자인 메틸알콜(메탄올)이 발견되었다.

이번 발견은 생성된지 얼마되지 않은 원시행성원반으로서는 유기화합물질이 처음으로 발견된 경우에 해당된다.

 

ALMA 관측을 통해 바다뱀자리 TW별의 원시행성원반에서 유기분자인 메틸알콜(메탄올)이 발견되었다.

이번 발견은 이처럼 어린 행성원반에서 발견된 화합물로는 첫번째 사례에 해당한다.

메탄올은 명백하게 얼음 물질로부터 파생된, 이 원시행성원반 상에서 유일한 복합유기분자이다.

이번 탐사결과는 천문학자들로 하여금 행성계의 생성과정에서 발생하는 화학적 작용과 궁극적으로 생명의 탄생을 가능케 하는 화학적 작용을 이해하는데 도움을 줄 것이다.

 

바담뱀자리 TW별의 원시행성원반은 지구로부터 가장 가까운 곳에 자리잡고 있는 원시행성원반으로서 그 거리는 약 170 광년이다.

이처럼 가까운 거리로 인해 이 천체는 원시행성원반에 대한 연구로는 이상적인 대상이 되고 있다.

 

천문학자들은 이 행성계가 약 40억 년 전 태양계가 형성되던 당시와 비슷한 모습을 하고 있을것으로 추정하고 있다. 

 

ALMA는 이 지근거리의 원시행성원반에서 차가운 가스의 분포 및 그 화학적 조성을 알아낼 수 있는 가장 강력한 관측기구이다.

 

이 독보적인 관측 능력이 네덜란드 라이든 천문대의 카트린네 발쉬(Catherine Walsh)가 이끄는 천문학자들에 의해 바다뱀자리 TW별의 원시행성원반에서 그 화학적 성격을 밝혀내는데 활용되었다.

그리고 사상 처음으로 이 원시행성원반에서 가스상 메틸알콜(또는 메탄올, CH3OH)의 존재가 드러났다.

 

메탄의 파생물인 메탄올은 지금까지 이 원시행성원반에서 감지된 복합유기분자로는 가장 큰 몸집을 가진 복합유기분자에 해당한다.

원시행성원반에서 이와 같은 물질을 감지해낸 것은 어떻게 유기분자가 발생초기의 행성들에 영향을 미치게 되는지를 이해하는데 있어 하나의 이정표가 되는 발견이라 할 수 있다.

더군다나 메탄올은 그 자체가 아미노산 화합물과 같은 생명탄생 이전단계의 기초물질로서 중요한 의미를 가지는 고분자 화합물의 기초 물질이기도 하다. 

따라서 메탄올은 생명체에게 필요한 풍부한 유기화학물질을 만들어내는데 필수적인 역할을 수행하는 분자에 해당한다.

 

이번 논문의 수석 저자인 카트린네 발쉬의 설명은 다음과 같다.
"원시행성원반에서 메탄올의 발견은 이 원시행성원반에 저장되어 있는 복잡한 유기얼음을 탐사해 낼 수 있는 ALMA의 독보적인 능력을 말해주는 것이며 갓 태어난 태양과 같은 별 주위에서 원시 행성이 생성되는데 있어 그 화학적 복잡성의 기원을 되돌아 볼 수 있도록 해주는 계기가 되고 있습니다."

 

원시행성원반에서의 가스상 메탄올은 천체화학에서 있어서 독보적인 중요성을 가지고 있다.

 

다른 종류의 분자들은 우주 공간에서 기체 화학물질로만 감지되거나 기체와 고체가 뒤섞인 물질들로 감지됨에 반해 메탄올은 먼지 알갱이의 표면 반응을 통해 오직 고체상태로만 형성되는 복잡한 유기화합물이다.

 

ALMA의 고해상도 관측은 천문학자들로하여금 바다뱀자리 TW 원반 전역에 걸쳐 존재하는 가스상 메탄올의 분포도 그려낼 수 있도록 해주었다.

이를 통해 과학자들은 중심별에 가까운 지점에서 현저하게 복사량이 증가하고 있는 고리 모양의 복사 패턴을 발견할 수 있었다[1].

 

기체 단계에 있는 메탄올의 관측 및 그 분포에 대한 정보는 이 먼지 원반의 얼음 알갱이에서 메탄올이 만들어지며 이것이 가스의 형태로 방출되고 있음을 추측해 볼 수 있는 근거가 되고 있다.

 

이번 관측은 또한 고체 메탄올의 기체 전이 과정에 대한 수수께끼와[2] 천체물리학적 환경에서 발생하는 좀더 일반적인 화학 작용을 명확하게 보여주고 있다.[3]

이번 논문의 공동저자인 리안 A. 루미스(Ryan A. Loomis)의 설명은 다음과 같다.
"원시행성원반에서 만들어진 가스상 메탄올은 별과 행성의 생성 초기에도 풍부한 유기화학물질작용이 진행됨을 말해주는 명백한 신호입니다.
이번 연구 결과는 매우 이른 초기의 행성계에서 어떻게 유기 물질들이 누적되어 형성되는지에 대한 우리의 이해에 중요한 영향을 미치는 것입니다." 

 

원시행성원반에서 차가운 가스상태의 메탄올을 성공적으로 찾아낸 이번 관측이 의미하는 것은 이 원반에서 얼어붙은 화학물질들의 생성을 관측할 수 있으며 원시행성이 만들어지는 곳에서 복잡한 유기 화학물질에 대한 앞으로의 연구에 그 기반을 닦아주는 것이라 할 수 있다.

 

생명체를 보듬고 있을가능성이 있는 외계행성을 탐사하는데 있어서도 천문학자들은 이번 발견을 이끈 강력한 새로운 도구를 사용할 수 있게 될 것이다.

 

Credit:S. Andrews (Harvard-Smithsonian CfA); B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

 

사진 1> ALMA가 촬영한 바다뱀자리 TW별 주위 원시행성원반에 대한 최상의 사진.

전형적인 원시행성원반 고리의 모습과 함께 행성의 형성을 말해주는 흔적인 간극을 보여주고 있다.

 

 

각주
[1] 바다뱀자리 TW별로부터 30AU에서 100AU 사이에 있는 메탄올 고리는 ALMA에 의해 관측된 메탄올 데이터에서 그 패턴이 재생되고 있다.
이번에 식별된 구조는 이 원반상에서 얼음들이 뭉쳐 있는 곳들이 주로 상대적으로 몸집이 큰(밀리미터 사이즈에 이르는) 먼지 알갱이들로 구성되어 있으며, 이 알갱이들은 주로 50AU이내의 거리에 자리잡고 있고, 가스로부터 떨어져나와 중심의 별을 향해 방사상으로 떠다니고 있다는 가설을 뒷받침해주고 있다.

   

[2] 이번 연구는 메탄올이 기화점보다 좀더 높은 온도에서 방출된다는 점 때문에, 열 탈착에 대한 내용보다는 자외선 광자와 이에 반응하는 탈착 작용과 같은 광탈착현상(photodesorption)을 포함한 다른 역학작용이 우세하게 작용한다는 사실을 말해주고 있으며 이 점이 연구팀으로서는 중요 쟁점이 되고 있다. 
좀더 세부적인 ALMA 관측이 진행된다면 여러가지 가능성에서 가장 적합한 한 가지 시나리오를 뽑아내는데 도움이 될 수 있을 것이다.

 

[3] 원시행성원반 중간 부분에 존재하는 화학적 종류의 방사상 변이 양상과 스노우라인의 구체적인 위치는 생성 초기에 있는 행성의 화학적 성격을 이해하는데  매우 핵심적인 정보에 해당한다. 
스노우라인은 특별히 기체상태로 존재하는 화학적 원소들이 먼지 알갱이 위에 얼어붙기 시작하는 지점을 한정해준다. 
원시행성원반에서 온도가 낮은 외곽지역에서 발견된 메탄올은 열탈착에 필요한 기화점보다 훨씬 온도가 낮은 지역에서도 메탄올이 먼지 알갱이에서 방출되어 나올 수도 있음을 보여주는 것이다. 

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Science Release  2016년 6월 15일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1619/         
        

참고 : 바다뱀자리 TW별 주위 원시행성원반을 비롯한 외계행성에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346973

 

원문>

eso1619 — Science Release

First Detection of Methyl Alcohol in a Planet-forming Disc

15 June 2016

The organic molecule methyl alcohol (methanol) has been found by the Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) in the TW Hydrae protoplanetary disc. This is the first such detection of the compound in a young planet-forming disc. Methanol is the only complex organic molecule as yet detected in discs that unambiguously derives from an icy form. Its detection helps astronomers understand the chemical processes that occur during the formation of planetary systems and that ultimately lead to the creation of the ingredients for life.

The protoplanetary disc around the young star TW Hydrae is the closest known example to Earth, at a distance of only about 170 light-years. As such it is an ideal target for astronomers to study discs. This system closely resembles what astronomers think the Solar System looked like during its formation more than four billion years ago.

The Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) is the most powerful observatory in existence for mapping the chemical composition and the distribution of cold gas in nearby discs. These unique capabilities have now been exploited by a group of astronomers led by Catherine Walsh (Leiden Observatory, the Netherlands) to investigate the chemistry of the TW Hydrae protoplanetary disc.

The ALMA observations have revealed the fingerprint of gaseous methyl alcohol, or methanol (CH₃OH), in a protoplanetary disc for the first time. Methanol, a derivative of methane, is one of the largest complex organic molecules detected in discs to date. Identifying its presence in pre-planetary objects represents a milestone for understanding how organic molecules are incorporated into nascent planets.

Furthermore, methanol is itself a building block for more complex species of fundamental prebiotic importance, like amino acid compounds. As a result, methanol plays a vital role in the creation of the rich organic chemistry needed for life.

Catherine Walsh, lead author of the study, explains: “Finding methanol in a protoplanetary disc shows the unique capability of ALMA to probe the complex organic ice reservoir in discs and so, for the first time, allows us to look back in time to the origin of chemical complexity in a planet nursery around a young Sun-like star.”

Gaseous methanol in a protoplanetary disc has a unique importance in astrochemistry. While other species detected in space are formed by gas-phase chemistry alone, or by a combination of both gas and solid-phase generation, methanol is a complex organic compound which is formed solely in the ice phase via surface reactions on dust grains.

The sharp vision of ALMA has also allowed astronomers to map the gaseous methanol across the TW Hydrae disc. They discovered a ring-like pattern in addition to significant emission from close to the central star [1].

The observation of methanol in the gas phase, combined with information about its distribution, implies that methanol formed on the disc’s icy grains, and was subsequently released in gaseous form. This first observation helps to clarify the puzzle of the methanol ice–gas transition [2], and more generally the chemical processes in astrophysical environments [3].

Ryan A. Loomis, a co-author of the study, adds: “Methanol in gaseous form in the disc is an unambiguous indicator of rich organic chemical processes at an early stage of star and planet formation. This result has an impact on our understanding of how organic matter accumulates in very young planetary systems.”

This successful first detection of cold gas-phase methanol in a protoplanetary disc means that the production of ice chemistry can now be explored in discs, paving the way to future studies of complex organic chemistry in planetary birthplaces. In the hunt for life-sustaining exoplanets, astronomers now have access to a powerful new tool.

Notes

[1] A ring of methanol between 30 and 100 astronomical units (au) reproduces the pattern of the observed methanol data from ALMA. The identified structure supports the hypothesis that the bulk of the disc ice reservoir is hosted primarily on the larger (up to millimetre-sized) dust grains, residing in the inner 50 au, which have become decoupled from the gas, and drifted radially inwards towards the star.

[2] In this study, rather than thermal desorption (with methanol released at temperatures higher than its sublimation temperature), other mechanisms are supported and discussed by the team, including photodesorption by ultraviolet photons and reactive desorption. More detailed ALMA observations would help to definitely favour one scenario among the others.

[3] Radial variation of chemical species in the disc midplane composition, and specifically the locations of snowlines, are crucial for understanding the chemistry of nascent planets.The snowlines mark the boundary beyond which a particular volatile chemical species is frozen out onto dust grains. The detection of methanol also in the colder outer regions of the disc shows that it is able to escape off the grains at temperatures much lower than its sublimation temperature, necessary to trigger thermal desorption.

More information

This research was presented in a paper entitled “First detection of gas-phase methanol in a protoplanetary disk”, by Catherine Walsh et al., published in Astrophysical Journal, Volume 823, Number 1.

The team is composed of Catherine Walsh (Leiden Observatory, Leiden University, Leiden, The Netherlands), Ryan A. Loomis (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts, USA), Karin I. Öberg (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts, USA), Mihkel Kama (Leiden Observatory, Leiden University, Leiden, The Netherlands), Merel L. R. van't Hoff (Leiden Observatory, Leiden University, Leiden, The Netherlands), Tom J. Millar (School of Mathematics and Physics, Queen’s University Belfast, Belfast, UK), Yuri Aikawa (Center for Computational Sciences, University of Tsukuba, Tsukuba, Japan), Eric Herbst (Departments of Chemistry and Astronomy, University of Virginia, Charlottesville, Virginia, USA), Susanna L. Widicus Weaver (Department of Chemistry, Emory University, Atlanta, Georgia, USA) and Hideko Nomura (Department of Earth and Planetary Science, Tokyo Institute of Technology, Tokyo, Japan).

The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an international astronomy facility, is a partnership of ESO, the U.S. National Science Foundation (NSF) and the National Institutes of Natural Sciences (NINS) of Japan in cooperation with the Republic of Chile. ALMA is funded by ESO on behalf of its Member States, by NSF in cooperation with the National Research Council of Canada (NRC) and the National Science Council of Taiwan (NSC) and by NINS in cooperation with the Academia Sinica (AS) in Taiwan and the Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI).

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Links

• Research paper
• Earlier ALMA observations of organic compounds in discs
• Photos of ALMA
• Other press releases featuring ALMA

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