2018. 9. 4. 20:55ㆍ3. 천문뉴스/유럽남부천문대(ESO)
사진 1> 이 사진은 이중별의 충돌결과 남겨진 잔해인 여우자리 CK별의 합성사진이다.
별들의 충돌로부터 방사성 분자들이 우주공간으로 쏟아져나왔는데 사진 중앙에 주황색의 이중구체로 보이는 것이 바로 그것이다.
이것은 27-알루미늄 모노플루오르화물(27-aluminum monofluoride)로서 동일 지역에 자리잡은 알루미늄플루오르화물의 희귀한 동위원소이다.
ALMA가 촬영한 부분은 좀더 넓게 퍼져 있는 먼지 지역에서 붉은색으로 넓게 퍼져 있는 부분이다.
파란색은 제미니 천문대에서 획득한 가시광선 데이터이다.
천문학자들이 ALMA와 NOEMA를 이용하여 별사이우주공간에서 방사능 분자를 감지해냈다.
이 분자에서 방사능을 띤 부분은 알루미늄 동위원소이다.
이 동위원소는 두 개의 별이 충돌하고 나서 우주로 퍼져나간 것이라는 사실을 밝혀냈는데 별의 충돌 잔해는 여우자리 CK(CK Vulpeculae)별로 알려져 있다.
익히 알려져 있는 천체로부터 이와 같은 원소를 직접적인 관측을 통해 밝혀 낸 것은 처음 있는 일이다.
동위원소를 식별해낸 예전 사례는 감마선 감지를 통해 가능했다.
하지만 당시 그 정확한 원인은 밝혀지지 않았었다.
하바드-스미스소니언 천체물리학 센터 토마츠 카밍스키(Tomasz Kaminski)가 이끄는 연구팀은 ALMA와 NOEMA(the NOrthern Extended Millimeter Array)를 이용하여 알루미늄-26이라는 방사성동위원소의 원천을 탐지해냈다.
여우자리 CK별로 알려져 있는 이 천체는 1670년 처음으로 관측되었으며 당시 이 별은 붉은 색의 밝은 "새별"로 관측되었다.
처음에 이 별은 맨눈으로 관측이 가능했지만 빠르게 어두워졌기 때문에 지금 이 별을 보려면 강력한 성능의 망원경이 필요하다.
두 개의 별이 충돌하면서 만들어진 잔해인 이 별은 충돌잔해로부터 뿜어져나오는 빛의 헤일로가 희미한 중심별을 감싸고 있는 상태이다.
처음 관측이 있은 후 348년이 지난 지금 이 잔해는 명확하고 확실하게 알루미늄-26(aluminium-26)이라는 알루미늄 방사성 물질의 신호를 보여주고 있다.
태양계 바깥에서 불안정한 방사성 분자를 확실하게 감지해낸 것은 이번이 처음이다.
불안정한 동위원소는 여분의 핵에너지를 가지고 있는 원소이며 최종적으로 안정된 형태로 붕괴하게 된다.
카밍스키의 설명은 다음과 같다.
"별상의 천체로부터 방사성 동위원소를 처음으로 관측해낸 것은 우주의 화학적 진화에 대한 내용을 확장하는데 있어 중요한 발견입니다.
이번 관측에서 알루미늄-26이라는 방사성 핵물질을 만들어내고 있는 천체를 처음으로 직접적으로 식별해 낼 수 있었죠."
카밍스키와 연구팀은 2,000 광년 거리에 있는 여우자리 CK별 주위 잔해 속에서 알루미늄-26과 불소(26AlF)를 구성하는 독특한 분광 신호를 감지해냈다.
이 분자들은 우주공간에서 스핀 및 붕괴를 하기 때문에 회전천이(rotational transition)라고 알려진 과정을 통해 밀리미터 파장에서 분명한 흔적을 복사하고 있다.
천문학자들은 이를 분자감지의 황금기준으로 간주하고 있다.[1]
특정 동위원소의 관측은 여우자리 CK별을 만들어낸 충돌 과정에 대한 새로운 통찰을 제공해주고 있다.
또한 이번 관측은 밀도높은 이 별의 깊숙한 안쪽 층에 대한 정보도 보여주고 있다.
이곳은 무거운 원소들과 방사성동위원소들이 뒤섞여 있는 지점으로서 이곳의 물질들은 별의 충돌에 의해 서로 뒤섞여지고 우주공간으로 쏟아져나갈 수 있다.
카밍스키는 이번 관측이 3백년 전 충돌에 의해 산산히 찢어진 별의 내장을 보는 것이라고 말했다.
천문학자들은 이번 관측으로부터 여우자리 CK별이 상대적으로 질량이 적은 별들이 충돌하면서 만들어진 것이며 이 중 하나는 태양 질량 대비 0.8배에서 2.5배 사이의 질량을 가진 적색거성이었다는 사실을 알아냈다.
방사능물질인 알루미늄-26은 좀더 안정된 상태로 붕괴하게 될 것이고 이 와중에 핵속에 존재하는 양성자 하나는 중성자로 붕괴하게 된다.
이러한 과정이 진행되는 동안 이온화 핵은 고에너지 광자를 방출하게 되는데 바로 이 광자가 감마선에서 관측된 것이다.[2]
예전에 대략 태양 질량의 2배 정도 되는 별에서 알루미늄-26을 보여주는 감마선 복사가 감지된바 있다.
오늘날 이 현상은 미리내 전역에서 감지되는데 이러한 방사성 원자가 만들어지는 과정은 일체 알려지지 않았었다.
게다가 감마선이 감지되는 방식 때문에 이들의 기원에 대해서도 일체 알 수 없었다.
이번 새로운 측정을 통해 천문학자들은 처음으로 태양계 외부에서 처음으로 불안정한 방사성동위원소를 명백하게 감지해낼 수 있었다.
하지만 연구팀은 여우자리 CK별과 유사한 천체에 의해 알루미늄-26이 생성되는 것은 미리내에 존재하는 알루미늄-26의 주요 생성원인은 아닌 것으로 결론내렸다.
여우자리 CK별에서 관측된 알루미늄-26의 질량은 대략 명왕성 질량의 1/4밖에 되지 않으며 여우자리 CK별과 같은 사건 역시 드물게 존재한다.
따라서 미리내에 존재하는 방사성동위원소를 만들어내는 단일 사건은 아닐 가능성이 대단히 높은 것이다.
이 방사성분자에 대한 향후 연구에는 여전히 많은 연구과제들이 남아 있는 상태이다.
사진 2> 이 그림은 두 개 별의 충돌 및 붕괴를 그린 상상도로서 여우자리 CK별이 바로 이와 같은 과정을 통해 생성된 별이다.
하단 네모상자에는 충돌 이전 적색거성의 내부 구조를 묘사하고 있다.
적색거성의 헬륨핵을 26-알루미늄의 얇은 층이 감싸고 있다.(갈색)
그 바깥층을 대류층이 감싸고 있다.(대류층은 실제 크기비율을 반영한 것은 아니다.)
이 대류층은 별의 최외곽층을 형성하고 있는데 별의 물질들을 내부 깊숙한 곳에서 표피층으로 떠오르게 만드는 작용을 한다.
하지만 이 대류층은 26-알루미늄을 표피층으로 밀어올릴만큼 깊은 곳까지 훑어내지는 못한다.
26-알루미늄을 퍼올리기 위해서는 다른 별과의 충돌이 필수적인 것이다.
사진 3> 이 상상화는 여우자리 CK별의 방사능분자들을 묘사하고 있다.
여우자리 CK별은 이중별의 충돌잔해이다.
이 충돌로부터 방사능분자들이 우주 공간으로 퍼져나오게 되었는데 이 상상화에서 지목한 부분이 바로 이 부분이다.
확대된 네모상자는 이 분자들이 어떻게 보이는지를 묘사하고 있다.
배경사진은 제미니망원경이 촬영한 가시광선(파란색) 데이터와 SMA가 촬영한 서브밀리미터 데이터( 이 부분은 노란색으로 우주먼지를 보여주고 있다.), 그리고 APEX와 SMA가 촬영한 분자의 복사데이터(붉은색)를 합성한 것이다.
사진 4> 이 별지도상의 별들은 어둡고 청명한 밤하늘이라면 모두 맨눈으로 볼 수 있는 별들이다.
이 별지도에는 작은 별자리인 여우자리가 담겨 있다.
이 별자리는 밤하늘에서 훨씬 또렷하게 보이는 백조자리 근처에 위치하고 있다.
새별 여우자리 1670의 위치가 빨간색 원으로 표시되어 있다.
[1] 특정 분자를 구분해낼 수 있는 특징은 대개 연구실의 실험을 통해 규명된다.
하지만 26AlF는 실험실에서 규명되지 않는다. 알루미늄 26이 지구에는 존재하지 않기 때문이다.
따라서 독일 카젤대학교(the University of Kassel)의 실험천체물리학자들은 훨씬 더 많이 존재하는 안정된 27ALF 분자데이터를 이용하여 26AlF 분자를 규명하는 정밀한 데이터를 유추해냈다.
[2] 알루미늄-26은 13개의 양성자와 13개의 중성자를 가지고 있는데 이는 안정된 동위원소인 알루미늄-27에 비해 중성자가 하나 더 적은 상태이다.
알루미늄-26이 붕괴되면 마그네슘-26이 되는데 이는 완전히 다른 원소이다.
출처 : 유럽남부천문대(European Southern Observatory) Science Release 2018년 7월 30일자
https://www.eso.org/public/news/eso1826/
참고 : 여우자리 CK별을 비롯한 각종 별들에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
https://big-crunch.tistory.com/12346972
원문>
eso1826 — Science Release
Stellar Corpse Reveals Origin of Radioactive Molecules
Observations using ALMA find radioactive isotope aluminium-26 from the remnant CK Vulpeculae
30 July 2018
Astronomers using ALMA and NOEMA have made the first definitive detection of a radioactive molecule in interstellar space. The radioactive part of the molecule is an isotope of aluminium. The observations reveal that the isotope was dispersed into space after the collision of two stars, that left behind a remnant known as CK Vulpeculae. This is the first time that a direct observation has been made of this element from a known source. Previous identifications of this isotope have come from the detection of gamma rays, but their precise origin had been unknown.
The team, led by Tomasz Kamiński (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, USA), used the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) and the NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) to detect a source of the radioactive isotope aluminium-26. The source, known as CK Vulpeculae, was first seen in 1670 and at the time it appeared to observers as a bright, red “new star”. Though initially visible with the naked eye, it quickly faded and now requires powerful telescopes to see the remains of this merger, a dim central star surrounded by a halo of glowing material flowing away from it.
348 years after the initial event was observed, the remains of this explosive stellar merger have led to the clear and convincing signature of a radioactive version of aluminum, known as aluminium-26. This is the first unstable radioactive molecule definitively detected outside of the Solar System. Unstable isotopes have an excess of nuclear energy and eventually decay into a stable form.
“This first observation of this isotope in a star-like object is also important in the broader context of galactic chemical evolution,” notes Kamiński. “This is the first time an active producer of the radioactive nuclide aluminum-26 has been directly identified.”
Kamiński and his team detected the unique spectral signature of molecules made up of aluminum-26 and fluorine (26AlF) in the debris surrounding CK Vulpeculae, which is about 2000 light-years from Earth. As these molecules spin and tumble through space, they emit a distinctive fingerprint of millimetre-wavelength light, a process known as rotational transition. Astronomers consider this the “gold standard” for detections of molecules [1].
The observation of this particular isotope provides fresh insights into the merger process that created CK Vulpeculae. It also demonstrates that the deep, dense, inner layers of a star, where heavy elements and radioactive isotopes are forged, can be churned up and cast into space by stellar collisions.
“We are observing the guts of a star torn apart three centuries ago by a collision,” remarked Kamiński.
The astronomers also determined that the two stars that merged were of relatively low mass, one being a red giant star with a mass somewhere between 0.8 and 2.5 times that of our Sun.
Being radioactive, aluminium-26 will decay to become more stable and in this process one of the protons in the nucleus decays into a neutron. During this process, the excited nucleus emits a photon with very high energy, which we observe as a gamma ray [2].
Previously, detections of gamma ray emission have shown that around two solar masses of aluminium-26 are present across the Milky Way, but the process that created the radioactive atoms was unknown. Furthermore, owing to the way that gamma rays are detected, their precise origin was also largely unknown. With these new measurements, astronomers have definitively detected for the first time an unstable radioisotope in a molecule outside of our Solar System.
At the same time, however, the team have concluded that the production of aluminium-26 by objects similar to CK Vulpeculae is unlikely to be the major source of aluminium-26 in the Milky Way. The mass of aluminium-26 in CK Vulpeculae is roughly a quarter of the mass of Pluto, and given that these events are so rare, it is highly unlikely that they are the sole producers of the isotope in the Milky Way galaxy. This leaves the door open for further studies into these radioactive molecules.
Notes
[1] The characteristic molecular fingerprints are usually taken from laboratory experiments. In the case of 26AlF, this method is not applicable because 26-aluminium is not present on Earth. Laboratory astrophysicists from the University of Kassel/Germany therefore used the fingerprint data of stable and abundant 27AlF molecules to derive accurate data for the rare 26AlF molecule.
[2] Aluminium-26 contains 13 protons and 13 neutrons in its nucleus (one neutron fewer than the stable isotope, aluminium-27). When it decays aluminium-26 becomes magnesium-26, a completely different element.
More information
This research was presented in the paper, Astronomical detection of a radioactive molecule 26AlF in a remnant of an ancient explosion, which will appear in Nature Astronomy.
The team is composed of Tomasz Kamiński (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts, USA), Romuald Tylenda (N. Copernicus Astronomical Center, Warsaw, Poland), Karl M. Menten (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Germany), Amanda Karakas (Monash Centre for Astrophysics, Melbourne, Australia), Jan Martin Winters (IRAM, Grenoble, France), Alexander A. Breier (Laborastrophysik, Universität Kassel, Germany), Ka Tat Wong (Monash Centre for Astrophysics, Melbourne, Australia), Thomas F. Giesen (Laborastrophysik, Universität Kassel, Germany) and Nimesh A. Patel (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts, USA).
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Tomasz Kamiński
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
Cambridge, Massachusetts, USA
Email: tomasz.kaminski@cfa.harvard.edu
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