젊은 별 주변 화학 환경, 알려진 것보다 다양하고 역동적 [지금은 우주]

[아이뉴스24 정종오 기자] 11개의 저질량 태아별을 같은 방식으로 관측한 결과 302.9기가헤르츠(GHz)의 새로운 class I 메탄올 메이저가 저질량 태아별에서도 높은 비율로 나타남을 확인했다. 메이저(maser)는 일상에서 사용되는 레이저와 같이 특정한 물리 조건에서 분자가 전파를 증폭해 매우 밝고 좁은 방출선을 만드는 자연 발생 전파 증폭 현상이다.

젊은 원시성(IRAS 4A2)에서 완전 중수소화 메탄올(CD3OD)을 검출했다. 이번 성과는 태아별 주변의 화학이 예상보다 풍부하며 희귀 분자와 메이저가 별 형성의 물리·화학 과정을 추적하는 새로운 관측 수단이 될 수 있음을 보여준다.

우주의 별들은 차갑고 밀도가 높은 분자구름의 중력 붕괴로 태어난다. 별이 만들어지는 동안 주변 물질은 태아별로 유입되는 동시에 강한 방출류를 내보낸다. 충격파와 가열을 통해 주변의 물리·화학 환경을 빠르게 변화시킨다.

이 시기에 만들어지거나 방출된 분자들은 뒷날 원시행성계원반과 행성, 혜성 등의 재료가 될 수 있어 별 형성 초기의 화학을 이해하는 것은 태양계와 행성계 물질의 기원을 추적하는 데 중요하다.

메탄올(CH3OH)은 별 탄생 영역에서 풍부하게 발견되는 대표적 유기분자다. 주로 차가운 성간 먼지 알갱이의 얼음 표면에서 형성된다. 이후 태아별이 주변을 가열하거나 충격파가 발생하면 기체 상태로 방출된다.

메탄올은 얼음 화학의 흔적을 보여주는 동시에 더 큰 복합유기분자가 만들어지는 화학적 출발점이다.

이번 연구는 알마 망원경(ALMA) 대형 관측 프로그램 COMPASS(Complex Organic Molecules in Protostars with ALMA Spectral Surveys)의 초기 성과를 종합한 것이다. COMPASS는 이정은 서울대 물리천문학부 교수가 공동책임연구자로 이끌고 있다. 한국·일본·대만을 포함한 동아시아와 유럽, 북미의 연구자들이 참여하는 국제 공동연구다.

COMPASS는 태양과 비슷한 별로 성장하는 인근 저질량 원시성 11개를 대상으로 100시간 이상의 ALMA 관측을 수행했다. ALMA의 높은 감도와 넓은 주파수 범위를 활용하면 매우 약한 분자의 ‘지문’을 검출할 수 있다. 각 분자가 태아별 주변에 어떻게 분포하는지를 태양계 규모에 가까운 공간 해상도로 지도화할 수 있다.

같은 관측 전략으로 여러 천체를 조사함으로써 개별 천체나 특정 분자에 집중했던 기존 연구보다 태아별마다 화학 조성이 어떻게 달라지고 진화하는지를 직접 비교할 수 있다.

COMPASS의 주요 발견 가운데 하나는 메탄올 메이저가 저질량 태아별 주변에서 기존에 생각했던 것보다 훨씬 흔하다는 사실이다. 메이저(maser)는 일상에서 사용되는 레이저와 같이 특정한 물리 조건에서 분자가 전파를 증폭해 매우 밝고 좁은 방출선을 만드는 자연 발생 전파 증폭 현상이다.

지금까지 메탄올 메이저 연구는 주로 고질량 별 탄생 영역에 집중돼 왔다. 태양과 비슷한 질량의 별이 형성되는 저질량 태아별에서는 드문 현상으로 여겨졌다.

서울대 정재홍 연구원이 주도한 연구에서는 302.9기가헤르츠(GHz)의 새로운 class I 메탄올 메이저를 확인했다. COMPASS가 조사한 11개 원시성 가운데 7개에서 이 메이저를 검출했다. 주변의 중간질량 태아별 방출류의 영향을 받을 가능성이 있는 한 태아별을 제외하더라도 저질량 원시성 10개 가운데 6개에서 검출돼 약 60%의 높은 검출률을 보였다.

메이저 방출은 일반적 열적 메탄올 방출과 함께 가스 방출류 동공의 벽과 활 모양 충격파 부근에 나타났는데 더 작고 매듭 같은 구조에 집중되는 경향을 보였다. 이는 302.9GHz 메탄올 메이저가 저질량 태아별에서도 충격파와 가스 방출류의 위치를 추적하는 새로운 관측 도구로 활용될 수 있음을 뜻한다.

또 다른 COMPASS의 주요 성과는 페르세우스 분자구름의 젊은 원시성 IRAS 4A2에서 완전 중수소화 메탄올(CD3OD)을 검출한 것이다. CD3OD는 메탄올의 보통 수소 원자가 모두 더 무거운 동위원소인 중수소로 치환된 매우 희귀한 형태다.

우주에서 중수소는 보통 수소보다 훨씬 희귀하기 때문에 CD3OD의 검출은 매우 어렵다. 이번 관측은 별과 행성이 완전히 형성되기 전 차가운 먼지 얼음 표면에서 일어나는 화학반응만으로도 이처럼 희귀한 분자 형태가 효율적으로 만들어질 수 있음을 보여준다.

이정은 서울대 물리천문학부 교수는 “이번 결과는 별 형성의 가장 초기 단계부터 주변 환경이 이미 매우 풍부한 화학을 가지고 있음을 보여준다”며 “ALMA를 이용하면 매우 약하거나 희귀하고 수많은 분자선 사이에 숨어 있는 신호까지 찾아낼 수 있다”고 말했다.

이어 “COMPASS를 통해 행성이 태어나기 이전에 화학적 복잡성이 어떻게 만들어지는지 구체적으로 보기 시작했다”고 설명했다.

COMPASS의 첫 7편의 연구는 희귀 동위원소 분자와 메이저뿐만 아니라 젊은 별 주변의 화학 환경이 기존에 알려진 것보다 다양하고 역동적이라는 점을 보여준다. 연구팀은 앞으로 11개 태아별의 전체 자료를 계속 분석해 태아별 주변의 화학적 다양성이 태어난 분자구름 환경에서 물려받은 것인지, 아니면 별과 행성 형성 과정에서 새롭게 만들어지는 것인지 규명할 계획이다.