흥미로운 화학조성을 가진 별의 고치를 포착하다.

 

Credit:FRIS/Tohoku University

 

그림 1> 이 상상화는 대마젤란은하의 뜨거운 분자핵에서 발견된 분자들을 묘사한 것이다.
이 분자핵이 미리내 바깥에서 발견되기는 이번이 처음이다.
또한 이 분자핵은 우리 미리내에서 발견되는 것과는 상당히 다른 화학적 조성을 보여주었다.
이 그림은 다음의 자료에서 연구된 물질들을 근거로 그려진 것이다.
ESP/M.콘메서(M. Kornmesser),  NASA, ESA, S.백위스(S. Beckwith, STScI) , 허블울트라딥필드 팀,  NASA/ESA, 허블헤리티지팀(the Hubble Heritage Team, AURA/STScI)/HEI.

 

뜨거운 상태와 고밀도의 질량 상태를 유지하여 새로운 별들을 벼려내고 있는 복합분자들이 ALMA를 이용한 일본 연구팀에 의해 발견되었다.
이 독특한 고온의 분자핵이 미리내 바깥에서 발견되기는 이번이 처음이다.
이 분자핵은 미리내에 존재하는 유사한 천체와는 다른 성분을 가지고 있다.
이는 우주 전역에서 우리의 예측보다 훨씬 더 다양한 화학 반응이 발생하고 있음을 말해주는 단서가 되고 있다.

 

일본 연구원들로 구성된 연구팀이 ALMA의 강력한 관측성능을 이용하여 우리 이웃 난쟁이은하인 대마젤란은하에서 ST11[1]이라는 이름으로 알려진 무거운 별을 관측하였다.
그리고 관측을 통해 수많은 분자가스들로부터 발생하는 복사를 관측하였다.

 

연구팀이 포착한 복사는 이제 갓 빛을 뿜어내기 시작한 ST11 주위의 상대적으로 온도가 높으면서 고밀도로 몰려있는 분자 가스들이 몰려 있는 지역에서 탐지되었다.
이는 연구팀이 미리내 너머에서는 여지껏 발견된 적이 없는 뜨거운 분자핵을 발견했음을 말해주는 증거였다.[2]

 

일본 도쿄대학의 천문학자이자 이번 논문의 주저자인 타카하시 시모니시(Takashi Shimonishi)의 소감은 다음과 같다.
"미리내 너머 우주공간에서 이 뜨거운 분자핵을 발견한 것은 이번이 처음입니다.
이번 연구결과는 미리내 너머의 천체화학적 현상에 대한 연구를 가능하게 해 줄 차세대 망원경들의 뛰어난 관측능력을 미리 보여주는 것입니다."

 

이번 ALMA 관측을 통해 새로 발견된 대마젤란 은하의 분자핵은 미리내에서 발견되는 유사한 대상과 상당히 다른 조성을 가지고 있음을 보여주었다.
이 분자핵에서 가장 두드러지게 나타나는 화학적 특성은 이산화황, 산화질소, 포름알데히드와 같은 친숙한 분자들로서 이들은 어디에나 존재하는 먼지들에 일반적으로 존재하는 성분들이다.

 

그러나 가장 단순한 알콜 분자인 메탄올을 비롯한 몇몇 유기 화합물은 이번에 새로 발견된 뜨거운 분자핵에서는 현저하게 적게 존재함을 보여주었다.
이와는 달리 미리내에서 발견되는 분자핵에서는 메탄올과 에탄올과 같은 복잡한 유기 분자들이 광범위하게 존재하고 있다.

 

다카하시 시모니시의 설명은 다음과 같다.
"이번 관측이 의미하는 것은 행성이나 별들을 구성하는 물질의 분자 조성 양상이 생각보다 훨씬 더 다양하다는 것을 말해주는 것입니다."

 

대마젤란은하에는 수소나 헬륨에 비해 다른 원소들이 훨씬 더 적게 존재한다.[3]

 

연구팀은 새로 탄생한 별 ST11 주위에서 발생하고 있는 분자의 생성 과정이 서로 다른 우주적 환경을 만드는데 영향을 미치고 있다고 제안하였다.
바로 이러한 사실이 서로 다른 화학적 조성이 관측된 이유일 수 있다는 것이다.

 

미리내에 존재하는 것과 같은 거대한 복합 분자가 다른 은하의 뜨거운 분자핵 내에서도 존재하는지는 아직 확실치 않다.
복잡한 유기분자들은 특별한 흥미를 끌고 있는데 이는 우주에서 원시적인 생명현상을 가능케 하는 분자들의 생성과 연관이 있기 때문이다.

 

우리로부터 가장 가까이 있는 은하에서 이와 같은 천체가 발견된 것은 대마젤란 은하가 천문학자들로 하여금 이러한 과제를 규명할 수 있는 훌륭한 관측 대상이 될 수 있음을 의미하는 것이다.

 

그런데 이러한 사실은 또다른 의문을 불러 일으킨다.
바로 이처럼 다양한 화학적 조성이 생명체의 발현에는 어떠한 영향을 끼칠까 하는 것이다.

 

 

Credit:T. Shimonishi/Tohoku University, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

 

사진 1> 이 사진은 미리내 바깥에서 처음으로 발견된 뜨거운 분자핵과 이들이 존재하는 지역을 적외선으로 바라본 것이다.
왼쪽 : 대마젤란은하의 뜨거운 분자핵으로부터 나타나는 분자들의 분포양상으로 ALMA에 의해 관측된 것이다. 
먼지와 이산화황(SO2), 산화질소(NO), 포름알데히드(H2CO)의 분포가 나타나있다.
오른쪽 : 별이 생성되고 있는 지역 부근을 적외선으로 촬영한 것으로 스피처 우주망원경의 관측 데이터를 기반으로 한 것이다.

 

각주

 

[1] ST11의 공식명칭은 2MASS J05264658-6848469 이다.
어려워보이는 이 이름은 이제 태어난지 얼마안된 무거운 별들에 붙여지는 이름이다. 
비록 이 별은 현재는 하나의 별로만 보이지만 별들이 촘촘하게 몰려 있는 별무리이거나 다중별계일 가능성도 있다. 
이 별이 연구팀의 관측 대상이었으며 뜨거운 분자핵에 의해 뒤덮혀 있다는 결과가 도출되었다.

 

[2] 뜨거운 분자핵은 반드시 다음과 같은 특징을 갖춘다.
우선 그 지름이 0.3광년 이하로서 상대적으로 작은 규모이다.
1세제곱미터당 1조개 이상의 분자가 존재하는 고밀도 상태로서 이 밀도는 지구 대기 밀도보다는 훨씬 낮지만 별사이 우주공간의 일반적인 상황보다는 훨씬 높은 수치이다.
온도는 영하 173도 이상이다. 이 온도는 표준분자구름 모델에서 유사한 밀도를 가진 다른 천체들보다 80도 이상 높은 수치이다. 
이처럼 뜨거운 핵은 무거운 별의 진화 단계에서 초기에 형성되며 우주의 복잡한 화학물질을 구성하는데 있어 핵심적인 역할을 수행하고 있다.

 

[3] 수소가 헬륨으로 변해가는 핵융합이 중단될 때, 핵융합반응은 이보다 더 무거운 원소들을 만들어내기 시작한다.
이 무거운 원소들은 죽어가는 무거운 별이 초신성으로 폭발할 때 우주공간으로 뻗어나간다. 
따라서 우주가 나이를 먹어갈수록 무거운 원소들의 비율은 늘어나게 된다. 
대마젤란은하에 무거운 원소가 적다는 것은 감사할만한 일이다.
왜냐하면 이러한 특성은 이 은하를 통해 우주의 초기에 발생했을 화학작용에 대한 통찰을 얻을 수 있게 해주기 때문이다.

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Science Release  2016년 9월 29일자
         http://www.eso.org/public/news/eso1634/

 

 

원문>

eso1634 — Science Release

ALMA Catches Stellar Cocoon with Curious Chemistry

The first of its kind to be found outside the Milky Way

29 September 2016

A hot and dense mass of complex molecules, cocooning a newborn star, has been discovered by a Japanese team of astronomers using ALMA. This unique hot molecular core is the first of its kind to have been detected outside the Milky Way galaxy. It has a very different molecular composition from similar objects in our own galaxy — a tantalising hint that the chemistry taking place across the Universe could be much more diverse than expected.

A team of Japanese researchers have used the power of the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) to observe a massive star known as ST11 [1] in our neighbouring dwarf galaxy, the Large Magellanic Cloud (LMC). Emission from a number of molecular gases was detected. These indicated that the team had discovered a concentrated region of comparatively hot and dense molecular gas around the newly ignited star ST11. This was evidence that they had found something never before seen outside of the Milky Way — a hot molecular core [2].

Takashi Shimonishi, an astronomer at Tohoku University, Japan, and the paper's lead author enthused: "This is the first detection of an extragalactic hot molecular core, and it demonstrates the great capability of new generation telescopes to study astrochemical phenomena beyond the Milky Way."

The ALMA observations revealed that this newly discovered core in the LMC has a very different composition to similar objects found in the Milky Way. The most prominent chemical signatures in the LMC core include familiar molecules such as sulfur dioxide, nitric oxide, and formaldehyde — alongside the ubiquitous dust. But several organic compounds, including methanol (the simplest alcohol molecule), had remarkably low abundance in the newly detected hot molecular core. In contrast, cores in the Milky Way have been observed to contain a wide assortment of complex organic molecules, including methanol and ethanol.

Takashi Shimonishi explains: “The observations suggest that the molecular compositions of materials that form stars and planets are much more diverse than we expected.”

The LMC has a low abundance of elements other than hydrogen or helium [3]. The research team suggests that this very different galactic environment has affected the molecule-forming processes taking place surrounding the newborn star ST11. This could account for the observed differences in chemical compositions.

It is not yet clear if the large, complex molecules detected in the Milky Way exist in hot molecular cores in other galaxies. Complex organic molecules are of very special interest because some are connected to prebiotic molecules formed in space. This newly discovered object in one of our nearest galactic neighbours is an excellent target to help astronomers address this issue. It also raises another question: how could the chemical diversity of galaxies affect the development of extragalactic life?

Notes

[1] ST11’s full name is 2MASS J05264658-6848469. This catchily-named young massive star is defined as a Young Stellar Object. Although it currently appears to be a single star, it is possible that it will prove to be a tight cluster of stars, or possibly a multiple star system. It was the target of the science team’s observations and their results led them to realise that ST11 is enveloped by a hot molecular core.

[2] Hot molecular cores must be: (relatively) small, with a diameter of less than 0.3 light-years; have a density over a thousand billion (10¹²) molecules per cubic metre (far lower than the Earth's atmosphere, but high for an interstellar environment); warm in temperature, at over –173 degrees Celsius. This makes them at least 80 degrees Celsius warmer than a standard molecular cloud, despite being of similar density. These hot cores form early on in the evolution of massive stars and they play a key role in the formation of complex chemicals in space.

[3] The nuclear fusion reactions that take place when a star has stopped fusing hydrogen to helium generate heavier elements. These heavier elements get blasted into space when massive dying stars explode as supernovae. Therefore, as our Universe has aged, the abundance of heavier elements has increased. Thanks to its low abundance of heavier elements, the LMC provides insight into the chemical processes that were taking place in the earlier Universe.

More information

This research was presented in a paper published in the Astrophysical Journal on August 9, 2016, entitled The Detection of a Hot Molecular Core in the Large Magellanic Cloud with ALMA.

The team is composed of Takashi Shimonishi (Frontier Research Institute for Interdisciplinary Sciences & Astronomical Institute, Tohoku University, Japan), Takashi onaka (Department of Astronomy, The University of Tokyo, Japan), Akiko Kawamura (National Astronomical Observatory of Japan, Japan) and Yuri Aikawa (Center for Computational Sciences, The University of Tsukuba, Japan)

The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an international astronomy facility, is a partnership of the European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere (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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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 16 countries: Austria, Belgium, Brazil, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Poland, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom, along with the host state of Chile. 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 a major partner in ALMA, the largest astronomical project in existence. And on Cerro Armazones, close to Paranal, ESO is building the 39-metre European Extremely Large Telescope, the E-ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.

Links

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Contacts

Takashi Shimonishi
Frontier Research Institute for Interdisciplinary Sciences
Tohoku University, Sendai, Miyagi, Japan
Email: shimonishi@astr.tohoku.ac.jp

Masaaki Hiramatsu
NAOJ Chile Observatory EPO officer
Tel: +81 422 34 3630
Email: hiramatsu.masaaki@nao.ac.jp

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