2020. 1. 19. 12:00ㆍ3. 천문뉴스/유럽남부천문대(ESO)
그림 1> 이 그림은 생명체를 구성하는 기본 요소 중 하나인 인의 양상이 별사이 우주공간에서 어떻게 나타나는지를 분석한 이번 연구의 핵심 결과를 묘사한 것이다.
천문학자들은 ALMA를 이용하여 AFGL 5142라는 별생성구역에서 인을 함유한 분자를 찾아낼 수 있었다.
이 그림의 배경에는 마차부자리의 일부가 담겨있다.
이번에 연구된 AFGL 5142 라는 별생성구역이 위치하는 곳이다.
ALMA가 관측한 대상이 그림 상단 왼쪽에 묘사되어 있다.
그리고 연구팀이 인을 함유하고 있는 분자를 발견한 지역 중 하나가 원으로 표시되어 있다.
AFGL 5142에서 발견된 인을 함유하고 있는 분자 중 가장 일반적인 것은 일산화인이었다.
하단 왼쪽 그림에서 일산화인이 주황색과 빨간색으로 표시되어 있다.
또다른 분자는 질화인(phosphorus nitride)이며 주황색과 파란색으로 그려져 있다.
천문학자들은 67P/추류모프-게라시멘코를 추적한 로제타 호의 ROSINA 데이터에서도 일산화인을 발견했다.
혜성에서 일산화인을 탐지해낸 최초의 사례로서 이를 통해 천문학자들은 분자가 만들어진 별생성구역과 생명이 탄생하는데 중요한 역할을 수행한 지구 간의 연관관계를 모든 방면에 있어서 그려볼 수 있게 되었다.
인간의 DNA와 세포막에 존재하는 인(P)은 우리가 아는 한 생명체의 기본원소에 해당한다.
하지만 이 원소가 어떻게 지구에 유입되었는지는 수수께끼로 남아 있다.
천문학자들이 ALMA와 유럽우주국의 로제타탐사선 데이터를 활용하여 별생성지역에서부터 혜성에 이르는 인의 여행경로를 추적하였다.
이들의 연구결과에 따르면 인을 함유한 분자가 생성된 곳, 그리고 이 원소가 어떻게 혜성에 실려 우주공간을 떠돌게 되었는지, 그리고 이 특별한 분자가 지구에서 생명체가 탄생하는데 어떻게 핵심적인 역할을 수행했는지를 알려주고 있다.
2020년 1월 15일 왕립천문학회 월보에 개재된 논문의 주저자인 빅터 리빌라(Victor Rivilla)는 지구에 생명체가 출현한 것은 약 40억년 전이지만 아무도 어떻게 생명의 탄생이 가능했는지는 알지 못한다고 말했다.
아타카마 거대 밀리미터/서브밀리미터 배열(the Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array, 이하 ALMA)과 로제타 호에 탑재되어 있는 이온 및 중성입자 분광분석기(Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis, 이하 ROSINA)를 통해 획득한 데이터를 분석한 결과 유기체가 만들어지는데 있어 일산화인(phosphorus monoxide)이 핵심적인 역할을 수행했음을 알 수 있었다.
ALMA를 이용하여 AFGL 5142라는 별생성구역을 상세하게 관측할 수 있었는데 천문학자들은 여기서 일산화인과 같은, 인을 포함하고 있는 분자가 생성되는 지역을 알아낼 수 있었다.
별들 사이사이에 가스와 먼지가 구름처럼 몰려있는 지역에서 새로운 별들이나 행성계가 탄생한다.
따라서 이러한 지역은 생명체의 기초 원소들을 찾는데 최적의 장소이다.
ALMA를 이용한 관측결과 무거운 별들이 생성될 때 인을 포함하는 원소가 만들어진다는 사실을 알 수 있었다.
갓태어난 어린별로부터 쏟아져나오는 가스폭풍은 별사이 우주공간을 메우고 있는 물질들 사이에 텅 빈 부분을 만들어낸다.
인을 포함하고 있는 분자는 갓 태어난 별로부터 쏟아져나오는 충격파 및 복사와 반응하며 이 텅빈 동공부의 벽을 만든다.
천문학자들은 또한 이 동공부의 벽에서 인 성분을 함유한 분자로 일산화인이 가장 많이 존재한다는 것도 알아냈다.
연구팀은 이처럼 별생성구역의 분자들을 탐사한 후 탐사 대상을 태양계의 천체로 옮겨 그 유명한 67P/추류모프-게라시멘코 혜성을 탐사하였다.
이 아이디어는 인을 함유한 화합물의 궤적을 추적하는 것이었다.
만약 우주 먼지 구름 동공부의 벽면이 붕괴되어 별이 만들어졌다면, 특히 태양과 같이 그다지 무겁지 않은 별이 만들어졌다면, 일산화인은 얼어 붙어 얼음 먼지 알갱이에 포착되었을 것이고 이 먼지 알갱이들이 별 주변에 남게 되었을 것이다.
심지어 별이 완벽히 생성되기도 전에 이 먼지 알갱이들이 뭉쳐 자갈이나 바위 크기의 덩어리가 형성되었을 수도 있고 결국 이 덩어리들은 혜성이 되었을 수도 있다. 바로 이 혜성들이 일산화인을 나르게 되는 것이다.
로제타 호는 ROSINA를 이용하여 2년 동안 67P/추류모프-게라시멘코 혜성에서 자료를 수집하였다.
천문학자들은 ROSINA 데이터에서 인 성분의 단서를 포착한 바 있다.
하지만 어떤 분자가 인 원소를 나르는 역할을 했는지는 알지 못했다.
이번에 발표된 논문의 저자이자 ROSINA 수석연구원인 캐스린 알트웨그(Kathrin Altwegg)는 ALMA를 이용한 별생성구역 연구결과를 공유하는 회의 자리에서 어떤 분자가 인을 나르는 매개체였을지에 대한 단서를 포착했다면서 다음과 같이 말했다.
"회의에서 일산화인이 가장 가능성이 높은 후보라는 말을 듣고 돌아오자마자 ROSINA의 데이터를 분석했습니다. 그러자 로제타 데이터에서도 일산화인이 나왔죠."
혜성에서 일산화인의 존재를 처음으로 찾아낸 냄으로써 천문학자들은 분자가 만들어지는 별생성구역과 지구와의 모든 연관관계를 그려볼 수 있게 되었다.
이탈리아국립천체물리학연구소(Italy’s National Institute for Astrophysics, INAF) 아르체트리천체물리학천문대(the Arcetri Astrophysical Observatory)의 연구원인 리빌라(Rivilla)는 ALMA와 ROSINA의 데이터를 함께 분석함으로써 일산화인이 주도적인 역할을 수행하는 별 생성 전 과정에서의 일종의 화학적 프로세스를 밝힐 수 있었다고 말했다.
알트웨그의 설명은 다음과 같다.
"우리가 아는 한 인은 생명체에게 있어 필수요소입니다.
혜성이야말로 지구에 상당량의 유기화합물을 날라다 주었을 가능성이 가장 높기 때문에 67P/추류모프-게라시멘코 혜성에서 발견된 일산화인은 혜성과 지구생명체간의 연관성을 더더욱 강하게 만들어줍니다."
이 흥미로운 여정이 분석될 수 있었던 것은 천문학자들간의 협력 덕분이다.
알트웨그는 일산화인의 감지는 지구의 천문대와 우주에 있는 관측 장비간의 학문의 경계를 넘어선 협력 덕분에 가능했다고 말했다.
ESO의 천문학자이자 ALMA 유럽연합운용책임자인 레오나르도 테스티(Leonardo Testi)는 이번 성과에 대해 다음과 같이 평가했다.
"생명의 출현에 유리한 화학적 조건이 얼마나 일반적으로 나타날 수 있는가를 포함하여 우주의 기원을 이해하는 것은 현대 천체물리학에 있어 주요 과제이기도 합니다.
ESO와 ALMA가 멀리 떨어져 있는 어린 행성계의 분자를 탐지하는데 노력을 기울이고 있는 동안 우리 태양계 내에 존재하는 화학 저장고를 직접 탐지하는 노력이 로제타 호를 비롯한 유럽우주국의 프로젝트로 진행됐죠.
지상 탐사 장비와 우주선이 수집한 데이터를 함께 분석함으로서 발생하는 시너지 효과, 즉, ESO와 ESA간의 협력의 효과는 유럽연합의 연구원들에게는 강력한 자산이 되며 이번에 발표된 논문처럼 변혁을 이끄는 발견을 가능하게 하고 있습니다."
사진 1> ALMA가 촬영한 이 사진은 별생성구역 AFGL 5142를 상세하게 보여주고 있다.
갓태어난 무거운 어린 별이 사진 정중앙에 보인다.
이 별로부터 쏟아져나오는 가스가 주위에 텅 빈 동공부를 만들고 있다.
그리고 이 동공부의 벽면(다채로운 색깔로 나타나고 있는 부분)에서 일산화인과 같이 인을 함유한 분자가 형성되어 있었다.
각각의 색깔은 서로 다른 속도로 움직이는 분자의 움직임을 표현한 것이다.
사진 2> 이 사진은 67P/추류모프-게라시멘코혜성의 모자이크 사진으로서 2014년 9월 10일 로제타 호가 27.8킬로미터 거리에서 촬영한 것이다.
표 1> 이 표는 최근 ALMA를 이용하여 관측한 별생성구역 AFGL 5142의 위치를 표시한 것이다. 별자리는 마차부자리이다.
표 상의 별들은 관측조건이 좋은 하늘이라면 모두 맨눈으로 관측가능하다.
AFGL 5142의 위치가 사진에 붉은 원으로 표시되어 있다.
사진 3> 이 사진은 별생성구역 AFGL 5142가 위치하고 있는 마차부자리를 광대역으로 촬영한 것으로 '디지털촬영을 이용한 온하늘탐사2(the Digitized Sky Survey 2)'의 일환으로 제작된 것이다.
출처 : 유럽남부천문대(European Southern Observatory) Science Release 2020년 1월 15일자
https://www.eso.org/public/news/eso2001/
참고 : 우주의 원소생성에 대한 탐사 성과 등 우주론에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
https://big-crunch.tistory.com/12346979
원문>
eso2001 — Science Release
Astronomers Reveal Interstellar Thread of one of Life’s Building Blocks
ALMA and Rosetta map the journey of phosphorus
15 January 2020
Phosphorus, present in our DNA and cell membranes, is an essential element for life as we know it. But how it arrived on the early Earth is something of a mystery. Astronomers have now traced the journey of phosphorus from star-forming regions to comets using the combined powers of ALMA and the European Space Agency’s probe Rosetta. Their research shows, for the first time, where molecules containing phosphorus form, how this element is carried in comets, and how a particular molecule may have played a crucial role in starting life on our planet.
"Life appeared on Earth about 4 billion years ago, but we still do not know the processes that made it possible," says Víctor Rivilla, the lead author of a new study published today in the journal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. The new results from the Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), in which the European Southern Observatory (ESO) is a partner, and from the ROSINA instrument on board Rosetta, show that phosphorus monoxide is a key piece in the origin-of-life puzzle.
With the power of ALMA, which allowed a detailed look into the star-forming region AFGL 5142, astronomers could pinpoint where phosphorus-bearing molecules, like phosphorus monoxide, form. New stars and planetary systems arise in cloud-like regions of gas and dust in between stars, making these interstellar clouds the ideal places to start the search for life’s building blocks.
The ALMA observations showed that phosphorus-bearing molecules are created as massive stars are formed. Flows of gas from young massive stars open up cavities in interstellar clouds. Molecules containing phosphorus form on the cavity walls, through the combined action of shocks and radiation from the infant star. The astronomers have also shown that phosphorus monoxide is the most abundant phosphorus-bearing molecule in the cavity walls.
After searching for this molecule in star-forming regions with ALMA, the European team moved on to a Solar System object: the now-famous comet 67P/Churyumov–Gerasimenko. The idea was to follow the trail of these phosphorus-bearing compounds. If the cavity walls collapse to form a star, particularly a less-massive one like the Sun, phosphorus monoxide can freeze out and get trapped in the icy dust grains that remain around the new star. Even before the star is fully formed, those dust grains come together to form pebbles, rocks and ultimately comets, which become transporters of phosphorus monoxide.
ROSINA, which stands for Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis, collected data from 67P for two years as Rosetta orbited the comet. Astronomers had found hints of phosphorus in the ROSINA data before, but they did not know what molecule had carried it there. Kathrin Altwegg, the Principal Investigator for Rosina and an author in the new study, got a clue about what this molecule could be after being approached at a conference by an astronomer studying star-forming regions with ALMA: “She said that phosphorus monoxide would be a very likely candidate, so I went back to our data and there it was!”
This first sighting of phosphorus monoxide on a comet helps astronomers draw a connection between star-forming regions, where the molecule is created, all the way to Earth.
“The combination of the ALMA and ROSINA data has revealed a sort of chemical thread during the whole process of star formation, in which phosphorus monoxide plays the dominant role,” says Rivilla, who is a researcher at the Arcetri Astrophysical Observatory of INAF, Italy’s National Institute for Astrophysics.
“Phosphorus is essential for life as we know it,” adds Altwegg. “As comets most probably delivered large amounts of organic compounds to the Earth, the phosphorus monoxide found in comet 67P may strengthen the link between comets and life on Earth.”
This intriguing journey could be documented because of the collaborative efforts between astronomers. “The detection of phosphorus monoxide was clearly thanks to an interdisciplinary exchange between telescopes on Earth and instruments in space,” says Altwegg.
Leonardo Testi, ESO astronomer and ALMA European Operations Manager, concludes: “Understanding our cosmic origins, including how common the chemical conditions favourable for the emergence of life are, is a major topic of modern astrophysics. While ESO and ALMA focus on the observations of molecules in distant young planetary systems, the direct exploration of the chemical inventory within our Solar System is made possible by ESA missions, like Rosetta. The synergy between world leading ground-based and space facilities, through the collaboration between ESO and ESA, is a powerful asset for European researchers and enables transformational discoveries like the one reported in this paper.”
More information
This research was presented in a paper to appear in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
The team is composed of V. M. Rivilla (INAF-Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Florence, Italy [INAF-OAA]), M. N. Drozdovskaya (Center for Space and Habitability, University of Bern, Switzerland [CSH]), K. Altwegg (Physikalisches Institut, University of Bern, Switzerland), P. Caselli (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Germany), M. T. Beltrán (INAF-OAA), F. Fontani (INAF-OAA), F.F.S. van der Tak (SRON Netherlands Institute for Space Research, and Kapteyn Astronomical Institute, University of Groningen, The Netherlands), R. Cesaroni (INAF-OAA), A. Vasyunin (Ural Federal University, Ekaterinburg, Russia, and Ventspils University of Applied Sciences, Latvia), M. Rubin (CSH), F. Lique (LOMC-UMR, CNRS–Université du Havre), S. Marinakis (University of East London, and Queen Mary University of London, UK), L. Testi (INAF-OAA, ESO Garching, and Excellence Cluster “Universe”, Germany), and the ROSINA team (H. Balsiger, J. J. Berthelier, J. De Keyser, B. Fiethe, S. A. Fuselier, S. Gasc, T. I. Gombosi, T. Sémon, C. -y. Tzou).
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). ALMA construction and operations are led by ESO on behalf of its Member States; by the National Radio Astronomy Observatory (NRAO), managed by Associated Universities, Inc. (AUI), on behalf of North America; and by the National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) on behalf of East Asia. The Joint ALMA Observatory (JAO) provides the unified leadership and management of the construction, commissioning and operation of ALMA.
ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It has 16 Member States: Austria, Belgium, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Ireland, Italy, the Netherlands, Poland, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom, along with the host state of Chile and with Australia as a Strategic Partner. 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 and its world-leading Very Large Telescope Interferometer as well as two survey telescopes, VISTA working in the infrared and the visible-light VLT Survey Telescope. Also at Paranal ESO will host and operate the Cherenkov Telescope Array South, the world’s largest and most sensitive gamma-ray observatory. ESO is also a major partner in two facilities on Chajnantor, APEX and ALMA, the largest astronomical project in existence. And on Cerro Armazones, close to Paranal, ESO is building the 39-metre Extremely Large Telescope, the ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.
Rosetta is an ESA mission. It launched in 2004 and rendezvoused with Comet 67P/Churyumov–Gerasimenko in 2014 to study it close up as it orbited around the Sun. It also deployed the lander Philae onto the comet's surface. Rosetta completed its mission by descending to the comet on 30 September 2016.
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All Rosetta mission data is available in ESA's planetary science archive, here.
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