ALMA와 로제타호가 우주에서 프레온-40을 탐지해내다.

 

Credit:B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); NASA/JPL-Caltech/UCLA

 

사진 1> ALMA가 어린 별 IRAS 16293-2422 주위에서 오르가노할로겐 염화메틸 (프레온-40)을 발견했다.

또한 동일한 유기화합물이 67P/추류모프-게라시멘코 혜성에서 ESA 로제타 호에 장착된 ROSINA 장비에 의해 발견되었다.

 

ALMA와 ESA의 로제타호 관측 데이터를 통해 어린 별과 혜성 주위의 가스에서 할로겐을 포함한 유기화합물(이하 오르가노할로겐) 프레온-40을 검출해냈다.

오르가노할로겐은 지구에서는 유기작용에 의해 형성되는 물질인데 이 물질이 별사이우주공간에서 발견되기는 이번이 처음이다.

이번 발견은 오르가노할로겐이 지금까지 우리가 생각했던 것과는 달리 생명체의 존재를 말해주는 좋은 표지가 되지는 못하지만 행성의 형성을 말해주는 중요한 구성요소일 수는 있다는 점을 시사하고 있다.

네이처 아스트로노미 지(the journal Nature Astronomy)에 개재된 이번 연구결과는 지구 너머에서 생명의 존재를 말해줄 수 있는 분자의 발견노력에 강조점을 두고 있다.

 

천문학자들로 구성된 연구팀이 ALMA를 이용하여 취득한 400 광년 거리의 어린 별 IRAS 16293-2422[1]와 로제타호에 탑재된 ROSINA 장비를 이용하여 취득한 그 유명한 67P/추류모프-게라시멘코 혜성의 데이터에서 염화메틸(methyl chloride, chloromethane)로도 알려져 있는 화학적 화합물 프레온-40(CH3Cl)의 희미한 흔적을 발견하였다. 

 

ALMA를 이용한 관측에서 안정된 오르가노할로겐이 별사이 우주공간에서 관측되기는 이번이 처음이다.[2]

 

오르가노할로겐은 염소나 불소와 같은 할로겐으로 구성되며 탄소 또는 다른 원소들이 가장자리를 메꾸고 있는 분자이다.

지구에서 이 화합물은 인간부터 균류에 이르기까지 모든 유기체의 생물학적 작용이나 염료 또는 약제의 생산 과정에서 만들어진다.[3]

 

애초 연구에서는 이 분자들이 생명체의 존재를 말해주는 단서가 될 수 있다고 규정되어 왔기 때문에 생명체가 발생하기 이전단계에서 프레온-40이 발견되었다는 점은 다소 실망스운 소식이 될 수도 있을 것이다.

 

이번 논문의 주저자인 하바드-스미스소니언 천체물리학센터의 연구원 에디스 페이욜(Edith Fayolle)의 소감은 다음과 같다.

"태양과 같은 유형의 어린 별 근처에서 프레온 40이라는 오르가노할로겐을 발견한 것은 정말 놀라운 일입니다. 

우리는 그저 단순하게 이 물질이 존재할 것이라고 예상하지 못했는데 한군데 몰려 있는 이 물질을 발견하고는 상당히 놀라지 않을 수 없었죠. 

이 분자들이 별이 태어나기 전에 이미 이곳에 형성되어 있었다는 것은 분명한 사실이 되었고 우리 태양계를 비롯한 행성계의 화학적 진화 과정에 대해서도 통찰을 제공해 주게 되었죠."

 

이미 3,000개가 넘는 외계행성들이 발견된 오늘날 외계행성 연구는 단순히 외계행성들을 찾는것을 뛰어넘어 어떤 화학적 표지가 생명체의 존재를 유추할 수 있을만한 단서가 되는지를 연구하고 있다.

여기서 중요한 단계는 어떤 분자가 생명체의 징표를 나타내주는지 결정하는 것인데 신뢰할만한 지표를 수립하는 것은 여전히 복잡한 과정으로 남아 있다.

 

이번 논문의 공동저자인 캐린 오버그(Karin Oberg)의 설명은 다음과 같다.

"별사이 우주공간에서 오르가노할로겐을 발견했다는 것은 행성에서 유기적 화학작용을 위한 조건이 형성되기 시작했다는 점을 말해주고 있습니다. 

이와 같은 화학작용은 유기체가 만들어지는데 있어 매우 중요한 단계에 해당하죠.

이번 발견을 근거로 보건대 오르가노할로겐은 갓 태어난 지구나 발생기에 있는 암석질 외계행성에 존재하는 이른바 '원시수프'를 구성하는 한 요소일 수 있다고 봅니다."

 

이러한 사실은 천문학자들이 그동안 잘못된 추정을 해왔을 수도 있다는 점을 말해주고 있다. 

즉, 오르가노할로겐은 생명체의 존재를 말해주는 지표라기보다는 생명체의 기원을 포함하는, 우리가 아직은 잘 알지 못하는 어떤 화학작용에 있어 중요한 구성요소가 될 수 있다는 것이다.

 

이번 논문의 공동저자인  코펜하겐대학 닐스보어 연구소의 예스 요르겐센(Jes Jørgensen)의 설명은 다음과 같다.

"이번 연구결과는 ALMA가 어린 별에서 행성이 형성되고 있을지 모를 부분에 해당하는 범위에서 천체생물학적 특징과 연관이 있는 분자를 검출해낼 수 있다는 점을 보여주고 있습니다. 

우리는 이미 ALMA를 이용하여 여러 별들에서 당이나 아미노산의 전조에 해당하는 분자들을 발견해 왔습니다. 

또한 67P/추류모프-게라시멘코 혜성 주위에서 프레온-40이 추가로 발견되었다는 점은 우리 태양계와 멀리 떨어져 있는 원시별에서 발생하는

원시생물학적 화학작용에 강력한 연관관계가 있다는 점을 말해주고 있습니다."

 

 

Credit:B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

 

사진 2> ESA 로제타 호에 장착된 ROSINA 장비로 프레온-40을 발견할 당시 67P/추류모프-게라시멘코 혜성의 위치.

동일한 분자가 ALMA에 의해 IRAS 16293-2422 주변에서도 발견되었다. 

 

천문학자들은 별과 혜성에서 서로다른 염소동위원소를 함유하고 있는 프레온-40의 상대적인 양을 비교해보았는데 여기에 유사한 점이 있음을 발견했다.

 

이러한 사실은 갓 태어난 행성계가 자신들의 별을 만들어낸 원시성운의 화학적 조성을 그대로 이어받는다는 생각을 지지해주고 있으며 갓 태어난 행성계에서 행성이 형성되는 동안 혜성 충돌과 같은 과정을 통해 오르가노할로겐이 행성에 유입될 가능성을 말해주고 있다.

 

페이욜의 소감은 다음과 같다.

"우리의 연구결과는 오르가노할로겐의 형성에 대해 우리가 알아야 할 것이 여전히 많다는 것을 말해주고 있습니다. 

그 답을 찾기 위해 또다른 원시별이나 혜성 주위에서 오르가노할로겐을 찾기 위한 추가 연구가 필요할 것입니다."

 

 

Credit:ESO, IAU and Sky & Telescope

 

사진 3> 이 표는 땅꾼자리에 있는 별생성구역인 땅꾼자리 로의 위치를 보여주고 있다.

이 지역의 이름도 되고 있는 땅꾼자리 로별이 그리스 문자 로(ρ)로 표시되어 있다.

태양과 비슷한 질량을 가진 어린 이중별 IRAS 16293-2422의 위치는 붉은색으로 표시되어 있다.

 

 

Credit:ESO/Digitized Sky Survey 2 Acknowledgement: Davide De Martin

 

사진 4> 이 광대역 사진은 땅꾼자리에서 별들이 생성되고 있는 지역의 일부이며, 밝고 어두운 구름이 인상적으로 들어차 있는 지역을 보여주고 있다.

이 사진은 DSS2의 일환으로 제작된 것이다.

 

각주

 

[1] 이 원시별은 별생성구역인 땅꾼자리 로별 내의 분자구름에 휩싸여 있는 이중별이다. 

이러한 천체야말로 ALMA의 밀리미터/서브밀리미터 파장으로 관측할 수 있는 최상의 대상이 된다.

 

[2] 이번에 사용된 데이터는 ALMA를 이용한 원시별의 간섭계 선 관측(the ALMA Protostellar Interferometric Line Survey, PILS)으로부터 취득된 것이다. 

이 관측의 목표는 태양계의 크기와 동일한 매우 작은 규모의 0.8밀리미터 대기창에서 ALMA가 관측 가능한 모든 파장을 활용하여 대상을 관측함으로써 IRAS 16293-2422의 화학적 복잡도를 도표화하는 것이다. 

여기에서 오르가노할로겐으로 간주될 수 있는 프로오르화 탄소(CF+)족들이 검출되었지만 안정된 상태는 아니었다.

 

[3] 프레온은 한때 냉매로 사용되었으나 이것이 지구의 오존층을 파괴하는 것으로 밝혀진 이후로는 사용이 금지되었다.

 

출처 : 유럽남부천문대(European Southern Observatory) Science Release  2017년 10월 2일자 

           http://www.eso.org/public/news/eso1732/   

         

참고 :  IRAS 16293-2422를 비롯한 각종 별들에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다. 
           https://big-crunch.tistory.com/12346972

 

원문>

ALMA and Rosetta Detect Freon-40 in Space

Dashing Hopes that Molecule May be Marker of Life

2 October 2017

Observations made with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) and ESA’s Rosetta mission, have revealed the presence of the organohalogen Freon-40 in gas around both an infant star and a comet. Organohalogens are formed by organic processes on Earth, but this is the first ever detection of them in interstellar space. This discovery suggests that organohalogens may not be as good markers of life as had been hoped, but that they may be significant components of the material from which planets form. This result, which appears in the journal Nature Astronomy, underscores the challenge of finding molecules that could indicate the presence of life beyond Earth.

Using data captured by ALMA in Chile and from the ROSINA instrument on ESA’s Rosetta mission, a team of astronomers has found faint traces of the chemical compound Freon-40 (CH3Cl), also known as methyl chloride and chloromethane, around both the infant star system IRAS 16293-2422 [1], about 400 light-years away, and the famous comet 67P/Churyumov-Gerasimenko (67P/C-G) in our own Solar System. The new ALMA observation is the first detection ever of a stable organohalogen in interstellar space [2].

Organohalogens consist of halogens, such as chlorine and fluorine, bonded with carbon and sometimes other elements. on Earth, these compounds are created by some biological processes — in organisms ranging from humans to fungi —  as well as by industrial processes such as the production of dyes and medical drugs [3].

This new discovery of one of these compounds, Freon-40, in places that must predate the origin of life, can be seen as a disappointment, as earlier research had suggested that these molecules could indicate the presence of life.

“Finding the organohalogen Freon-40 near these young, Sun-like stars was surprising,” said Edith Fayolle, a researcher with the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts in the USA, and lead author of the new paper. “We simply didn't predict its formation and were surprised to find it in such significant concentrations. It’s clear now that these molecules form readily in stellar nurseries, providing insights into the chemical evolution of planetary systems, including our own.”

Exoplanet research has gone beyond the point of finding planets — more than 3000 exoplanets are now known — to looking for chemical markers that might indicate the potential presence of life. A vital step is determining which molecules could indicate life, but establishing reliable markers remains a tricky process.

“ALMA’s discovery of organohalogens in the interstellar medium also tells us something about the starting conditions for organic chemistry on planets. Such chemistry is an important step toward the origins of life,” adds Karin Öberg, a co-author on the study. “Based on our discovery, organohalogens are likely to be a constituent of the so-called ‘primordial soup’, both on the young Earth and on nascent rocky exoplanets.”

This suggests that astronomers may have had things around the wrong way; rather than indicating the presence of existing life, organohalogens may be an important element in the little-understood chemistry involved in the origin of life.

Co-author Jes Jørgensen from the Niels Bohr Institute at University of Copenhagen adds: "This result shows the power of ALMA to detect molecules of astrobiological interest toward young stars on scales where planets may be forming. Using ALMA we have previously found precursors to sugars and amino acids around different stars. The additional discovery of Freon-40 around Comet 67P/C-G strengthens the links between the pre-biological chemistry of distant protostars and our own Solar System."

The astronomers also compared the relative amounts of Freon-40 that contain different isotopes of chlorine in the infant star system and the comet — and found similar abundances. This supports the idea that a young planetary system can inherit the chemical composition of its parent star-forming cloud and opens up the possibility that organohalogens could arrive on planets in young systems during planet formation or via comet impacts.

“Our results shows that we still have more to learn about the formation of organohalogens,” concludes Fayolle. “Additional searches for organohalogens around other protostars and comets need to be undertaken to help find the answer.”

Notes

[1] This protostar is a binary star system surrounded by a molecular cloud in the Rho Ophiuchi star-forming region, which makes it an excellent target for ALMA’s millimetre/submillimetre view.

[2] The data used were from the ALMA Protostellar Interferometric Line Survey (PILS). The aim of this survey is to chart the chemical complexity of IRAS 16293-2422 by imaging the full wavelength range covered by ALMA in the 0.8-millimetre atmospheric window on very small scales, equivalent to the size of the Solar System.

The species CF+, which could be considered as an organohalogen, had already been detected, but is not stable.

[3] Freons were widely used as a refrigerants (hence the name) but are now banned as they have a destructive effect on the Earth’s protective ozone layer.

More information

This research was presented in a paper “Protostellar and Cometary Detections of Organohalogens” by E. Fayolle et al., to appear in Nature Astronomy on 2 October 2017.

The team is composed of Edith C. Fayolle (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, USA), Karin I. Öberg (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, USA),  Jes K. Jørgensen (University of Copenhagen, Denmark), Kathrin Altwegg (University of Bern, Switzerland),  Hannah Calcutt (University of Copenhagen, Denmark), Holger S. P. Müller (Universität zu Köln, Germany), Martin Rubin (University of Bern, Switzerland), Matthijs H. D. van der Wiel (The Netherlands Institute for Radio Astronomy, The Netherlands), Per Bjerkeli (Onsala Space Observatory, Sweden), Tyler L. Bourke (SKA Organisation, UK), Audrey Coutens (University College London, UK), Ewine F. van Dishoeck (Leiden University, The Netherlands; Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Germany), Maria N. Drozdovskaya (University of Bern, Switzerland), Robin T. Garrod (University of Virginia, USA), Niels F. W. Ligterink (Leiden University, The Netherlands), Magnus V. Persson (Onsala Space Observatory, Sweden), Susanne F. Wampfler (University of Bern, Switzerland) and the ROSINA team.

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 in Nature Astronomy
• Earlier results on this star from ALMA: methyl isocyanate and sugars
• Photos of ALMA

Contacts

Edith Fayolle
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
Cambridge, Massachusetts, USA
Email: efayolle@cfa.harvard.edu

Jes K. Jørgensen
Niels Bohr Institute, University of Copenhagen
Copenhagen, Denmark
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