별이 태어나려면 차가워야 한다!

[논문읽어주는남자]

한국과총 ・ 2021. 1. 5. 15:28

 

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‘별(Star)’ 하면 가장 먼저 떠오르는 표현은 ‘뜨겁다’ 입니다.

말 그대로 뜨겁기 때문이죠. 태양의 표면 온도는 무려 섭씨 5,500도에 달합니다. 그리고 수소 핵융합이 일어나는 중심은 더 뜨겁습니다. 중심 온도는 낮아도 1천만 도 이상일 것으로 추측합니다. 그 때문에 별을 ‘스스로 타는 천체’라고도 부릅니다.

 

그런데 ‘별’이 만들어지려면 차가워야 한다니 무슨 말일까요?

글쓴이도 별이 형성되는 과정을 배우기 전이었다면 위와 같이 질문했을 것입니다. 그리고 배우면서 그 과정을 정확하게 이해하기 전까지도 계속 의문을 가지고 있었습니다. “중심에 수소 핵융합이 일어날 정도가 되려면 처음 별이 태어날 때도 뜨거워야 하는 것 아닌가?”하고 말이죠. 하지만 아니었습니다.

 

우리 주변 현상을 가지고 한 번 이해해보겠습니다.

여름에 빨리 시원해지게 하려고 에어컨 통풍구를 위로 향하게 한 적 있을 것입니다. 이것은 우리가 잘 이해하고 있는 공기와 밀도 사이의 관계 때문입니다. “공기는 뜨거우면 위로 올라가고, 가벼우면 아래로 가라앉는다.” 그러면 우주에 구름이 하나 있을 때, 뜨겁게 하면 어떤 일이 일어날까요? 아마 그 구름은 흩어져서 사라질 것입니다. 그런데 별이 만들어지려면, 구름이 모여야 합니다. 구름이 흩어지지 않을 만큼 차가워야 한다는 뜻입니다. 꾸준히 모여서 밀도가 높은 구름이 되어야 별이 만들어지죠.

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태양 표면은 섭씨 5500도로 뜨겁다 (출처: ESA/NASA)

 

그러면 어떻게 차가운 구름을 계속 모이게 할 수 있을까요?

그 과정은 수증기가 식어 물이 되고, 물이 얼면 얼음이 되는 것과 비슷합니다. 수소, 헬륨, 탄소, 질소, 산소 등 원자로 이루어진 구름이 있다고 가정해보겠습니다. 이 구름이 식기 시작합니다. 이미 어떤 일이 일어날지 떠올린 분도 있을 거예요. 바로 그 원자들이 모여 분자가 됩니다. 원자가 분자로 합쳐지면서 에너지가 나오고, 중심의 구름은 계속 차갑게 식어 갑니다. 식어 가면서 내뿜는 에너지와 가운데로 모이려는 중력 사이의 평형이 깨지는 순간, 갑자기 중심으로 확 입자들이 몰려들고, 그곳에서 별이 형성됩니다.

 

오늘 소개할 논문은 그 별이 만들어지는 과정에서 꼭 있어야 하는 분자 구름에 대한 것입니다.

제목은 “Chemical Diagnostics of the Massive Star Cluster-Forming Cloud G33.92+0.11. IV. Hierarchical Structure”로, 한국천문연구원 민영철 박사님과 2명의 대만 연구원이 2020년 한국천문학회지(JKAS)에 발표했습니다. 주요 결과는 G33.92+0.11 구름에서 무거운 별들이 무수히 만들어지고 있는데, 그 과정이 연속적으로 일어나고 있다는 것입니다. 잘 있던 구름에 친구 구름이 차례대로 놀러 오면서(accretion), 중심에서 별이 되고, 그 옆에서 별이 되고, 또 옆에서 별이 됐습니다.

 

별이 만들어지는 곳 주변에는 항상 두꺼운 구름이 존재한다. (출처: NASA/JPL-Caltech/UCLA)

 

논문에서는 구름 속에서 별이 형성된 과정을 이해하기 위해 다양한 분자들이 방출하는 에너지를 관측했습니다.

특히 일황화탄소(그중에서도 동위원소 탄소-13으로 구성된 13CS), 사이안화 중수소(DCN), 황화수소(H2S)에 대해 다루고 있습니다. 시리즈 논문의 초기에는 아세토나이트릴(CH3CN), 메탄올(CH3OH), 황화카보닐(OCS), 이산화황(SO2) 등에 대해서도 다뤘습니다. 제가 논문을 통해 처음 안 사실은 우주에서 일산화탄소(CO) 다음으로 많은 분자 중에 일황화탄소가 있다는 사실이었습니다. 일황화탄소는 지구에서 자연적으로 생기지 않는 분자인데도, 우주에 별이 생기려면 구름에서 만들어졌어야 할 분자였던 거죠.

 

논문에 따르면, (1) 이 분자들이 관측되는지, (2) 관측되면 얼마나 많은 양이 있는지, (3) 분자들의 양이 어떤 비율로 존재하는지에 따라서 별이 태어난 지 얼마나 된 상태인지 예측할 수 있습니다. 따라서 별이 형성되는 곳을 연구하기 위해서는 구름에서 만들어지는 분자에 대해 잘 알고 있어야 합니다. 천문학자인지, 화학자인지. 분자 구름을 연구하는 천문학자는 두 단어를 합쳐서 천문화학자라고 불러야 할듯싶네요.

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별이 태어나기에 앞서 어떤 과정이 필요한지에 대해 어느 정도 이해가 되셨나요? 오늘 기억할 내용은 “뜨거운 별이 태어나려면, 그에 앞서 차가운 구름이 많이 모여야 한다”입니다. 논문에 대해 더 자세히 알고 싶다면, 링크(https://doi.org/10.5303/JKAS.2020.53.3.77)를 참고해주세요. 그리고 우리나라 천문학자, 과학자들의 연구 결과에 대해 많은 관심과 응원 부탁드립니다.

 

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[출처] [논문읽어주는남자] 별이 태어나려면 차가워야 한다!|작성자 한국과총