원자력/우주항공

은하계 밖 산소 최초 발견

발행일 : 2020 / 02 / 24

중국과학원 상하이천문대 왕쥔즈(王均智) 연구팀은 “마카리안 231(Mrk 231)” 은하 내부에 천체생명학 및 성간물질 변화에 필수적인 분자인 산소가 존재함을 발견하였다. 해당 성과는 “Astrophysics”에 게재되었다.

산소는 생명유지에 있어 매우 중요한 물질이다. 우주에서 산소의 존재비는 수소와 헬륨 다음으로 높다. 천문학계는 분자산소(molecular oxygen)가 항성 간 공간에 보편적으로 존재할 것으로 예측하고 있지만 현재로 은하계 밖에서 산소를 발견하지 못했다. 이번에 큰곰자리 성좌에 위치한 지구와 약 5.6억 광년 떨어져 있는 Mrk 231 퀘이사에서 발견된 산소는 지금까지 과학계가 탐지한 태양계 밖 최다량의 산소이자 은하계 밖에서 최초로 발견된 산소이다. 하지만 무엇 때문에 성간공간(interstellar space)의 산소 함량이 예상치에 훨씬 미치지 못하는지는 여전히 수수께끼이다.

연구팀은 스페인과 프랑스에 위치한 전파망원경으로 2.52밀리미터 파장의 복사를 발견하였는데 이는 산소 존재의 지표이다. 해당 복사가 산소에서 비롯되었음을 증명하기 위해 연구팀은 해당 검출 파장과 유사한 파장을 방출할 수 있는 다양한 분자를 연구하였다. 그 결과, 산소를 제외한 기타 어떤 분자도 우주에 나타난 적이 없음을 발견하였다.

해당 발견은 지금까지 과학계가 탐지한 태양계 밖 최다량의 산소이다. 기존에 천문학계는 은하계 내 오리온성운 및 뱀주인자리성운 내부에서만 산소를 관측한 적이 있다. 산소 형성이 가능한 오리온성운일지라도 그 내부 산소량은 수소량의 100만분의 1밖에 안 될 정도로 매우 적다. Mrk 231 내부에서도 수소가 주도적 지위를 차지하지만 산소 존재비는 오리온성운 내부 산소량의 100배에 달한다. Mrk 231의 산소는 은하원반(galactic disk) 주변부에 존재한다. 이로부터 학계는 Mrk 231이 오리온성운보다 더 강한 산소 형성과정을 겪었을 것으로 해석하고 있다.

대량 항성 생산공장인 Mrk 231에서 새항성 생성속도는 은하계의 100배에 이르며 매년 방출하는 기체 총질량은 700개 태양질량에 해당한다. 은하중심에서 유래한 고속회전 기체는 아마도 은하원반 내 기체와 충돌하여 물얼음을 먼지입자로부터 박리함으로써 산소를 형성한다. 반대로 산소 분자가 방출하는 복사는 기체 냉각을 도와 그 중 일부 기체를 더 쉽게 붕괴시킴과 아울러 은하 내에서 더 많은 새항성을 생성시키는 등 은하의 활력을 유지시킨다.

성간분자 특히 산소와 같은 천체생명학 및 성간물질 변화에 있어 매우 중요한 분자를 탐색하는 것은 전파천문학의 첨단과제이다. 반세기에 가까운 우주전파 분자탐색 역사에서 거둔 몇 차례 성공적인 관측은 모두 은하계 내에서 이루어졌다.

은하계 밖 외부 은하 내 산소에서 발송되는 신호는 일정 정도 적색편이(Red shift)를 간과하는 전제 하에 도플러효과로 인해 지구 대기를 관통할 수 있으며 따라서 지상 대형 망원경을 통한 탐지가 가능하다. 연구팀은 전파망원경으로 수신한 미약한 신호에 대한 분석을 통해 산소 존재비 증가를 일으킬 가능성이 있는 은하로 Mrk 231을 선정했고 비로소 성공적으로 산소를 탐지하기에 이르렀다.

해당 연구는 분자산소를 이용한 관측을 통한 은하핵부 격렬한 활동이 모은하(host galaxy)에 대한 피드백 연구에 새로운 길을 개척했다.

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