우주에서 발견된 파이렌: 태양계 탄소의 기원

미국 매사추세츠공과대학(MIT) 연구팀이 먼 우주 구름에서 다환 방향족 탄화수소(PAH)의 일종인 파이렌을 다량으로 발견했다.

이는 태양계와 유사한 먼지와 가스의 집합체로, 파이렌이 태양계 탄소의 상당 부분을 차지했을 가능성을 시사한다.

이 가설은 지구 근접 소행성 류구에서 채취한 샘플에서 다량의 파이렌이 발견된 최근 연구 결과와도 부합한다.

 

MIT 화학과 조교수인 브렛 맥과이어는 "별과 행성 형성의 큰 질문 중 하나는 초기 분자 구름의 화학적 구성 요소 중 얼마나 많은 양이 유전되어 태양계의 기본 구성 요소를 형성하는가 하는 것"이라고 말했다.

 

"우리는 시작과 끝을 보고 있는데, 둘 다 같은 것을 보여주고 있다.

이는 초기 분자 구름의 물질이 얼음, 먼지, 암석체로 구성된 태양계로 유입되었다는 강력한 증거"라고 덧붙였다.

파이렌은 대칭 구조로 인해 우주에서 약 95%의 분자를 검출하는 데 사용되는 전파 천문학 기술로는 관측이 불가능하다.

연구팀은 대신 파이렌의 이성질체인 시아노파이렌을 검출했다.

시아노파이렌은 파이렌이 시안화물과 반응하여 대칭이 깨진 형태이다.

이 분자는 서버지니아주 그린뱅크 천문대의 100미터 그린뱅크 망원경을 사용하여 TMC-1이라는 먼 구름에서 발견되었다.

 

이 연구 결과는 과학 저널 사이언스에 게재될 예정이다.

MIT의 맥과이어 그룹의 박사후 연구원인 가비 웬젤이 주저자이며, UBC의 일사 쿠크 조교수와 MIT의 맥과이어가 공동 교신 저자이다.

 

 

우주에서 발견된 다환 방향족 탄화수소(PAH)

다환 방향족 탄화수소(PAH)는 탄소 원자의 고리가 서로 융합된 분자로, 우주에 존재하는 탄소의 10~25%를 저장하고 있는 것으로 추정된다.

40년 이상 전부터 과학자들은 적외선 망원경을 사용하여 우주에서 PAH의 진동 모드에 속하는 것으로 생각되는 특징을 감지하기 시작했지만, 이 기술로는 어떤 종류의 PAH가 존재하는지 정확히 알 수 없었다.

 

MIT 화학과 조교수인 브렛 맥과이어는 "PAH 가설이 1980년대에 개발된 이후 많은 사람들이 PAH가 우주에 존재한다고 받아들였고, 운석, 혜성, 소행성 샘플에서도 발견되었지만, 적외선 분광법을 사용하여 우주에서 개별 PAH를 명확하게 식별할 수는 없다"고 말했다.

2018년, 맥과이어가 이끄는 연구팀은 TMC-1에서 벤조니트릴(6개의 탄소 고리에 니트릴기가 결합된 분자)을 발견했다고 보고했다.

이 발견을 위해 그들은 GBT를 사용하여 분자가 우주를 돌면서 방출하는 특징적인 빛 패턴인 회전 스펙트럼으로 우주에서 분자를 감지했다.

2021년에는 그의 팀이 우주에서 처음으로 개별 PAH를 감지했다.

두 개의 고리가 융합되어 있고 한 개의 고리에 니트릴기가 결합된 시아노나프탈렌의 두 가지 이성질체였다.

 

지구에서는 PAH가 화석 연료 연소의 부산물로 일반적으로 발생하며, 구운 음식의 그을음 자국에서도 발견된다. TMC-1에서 발견된 사실은 매우 낮은 온도에서도 형성될 수 있음을 시사한다.

PAH가 운석, 소행성, 혜성에서도 발견되었다는 사실은 많은 과학자들이 PAH가 우리 태양계를 형성한 대부분의 탄소의 원천이라고 가설을 세우게 했다.

2023년 일본 연구팀은 하야부사2 미션 동안 소행성 류구에서 반환된 샘플에서 다량의 파이렌과 나프탈렌 등 소량의 PAH를 발견했다.

 

 

파이렌의 발견과 연구

류구 소행성에서 파이렌이 발견된 후, MIT 연구팀은 TMC-1에서 파이렌을 찾기 시작했다.

파이렌은 네 개의 고리를 포함하고 있어 지금까지 우주에서 발견된 다른 PAH보다 크다.

실제로, 그것은 우주에서 확인된 세 번째로 큰 분자이며, 전파 천문학을 사용하여 발견된 가장 큰 분자이다.

 

연구팀은 우주에서 이러한 분자를 찾기 전에 먼저 실험실에서 시아노파이렌을 합성했다.

시아노 또는 니트릴기는 분자가 전파 망원경이 감지할 수 있는 신호를 방출하는 데 필요하다.

합성은 MIT 화학과 조교수인 Alison Wendlandt의 그룹에서 MIT 박사후 연구원인 Shuo Zhang에 의해 수행되었다.

그런 다음 연구팀은 분자가 실험실에서 방출하는 신호를 분석했는데, 이는 우주에서 방출하는 신호와 정확히 일치한다.

연구팀은 GBT를 사용하여 TMC-1 전체에서 이러한 신호를 발견했다.

또한 시아노파이렌이 구름에서 발견된 모든 탄소의 약 0.1%를 차지한다는 것을 발견했는데, 이는 작은 숫자처럼 보이지만 우주에 존재하는 수천 가지 다른 유형의 탄소 함유 분자를 고려할 때 중요하다고 맥과이어는 말한다.

 

"0.1%는 큰 숫자처럼 보이지 않지만, 대부분의 탄소는 우주에서 두 번째로 풍부한 분자인 일산화탄소(CO)에 갇혀 있습니다.

CO를 제쳐두면, 남은 탄소 원자 중 몇 백 개 중 하나가 파이렌에 있습니다.

수천 가지의 다른 분자들이 있으며, 거의 모두가 많은 탄소 원자를 가지고 있고, 몇 백 개 중 하나가 파이렌에 있다고 상상해보세요."라고 그는 말한다.

"그것은 절대적으로 엄청난 풍부함입니다. 거의 믿을 수 없는 탄소의 싱크입니다. 그것은 성간 안정성의 섬입니다."

 

 

파이렌의 발견과 의미

네덜란드 레이던 천문대의 분자 천체 물리학 교수인 이윈 반 디쇼크는 이 발견을 "예상치 못한 흥미로운 발견"이라고 불렀다.

"이것은 그들의 이전에 더 작은 방향족 분자의 발견에 기반을 두고 있지만, 이제 파이렌 계열로 도약하는 것은 엄청난 일입니다.

이것은 탄소의 상당한 부분이 이러한 분자에 갇혀 있음을 보여줄 뿐만 아니라, 지금까지 고려된 것보다 다른 방향족의 형성 경로를 가리킵니다."라고 연구에 참여하지 않은 반 디쇼크는 말했다.

TMC-1과 같은 성간 구름은 결국 별을 낳을 수 있다.

먼지와 가스의 덩어리가 더 큰 천체로 합쳐지고 가열되기 시작하기 때문이다.

행성, 소행성, 혜성은 젊은 별을 둘러싼 일부 가스와 먼지에서 발생한다.

과학자들은 우리 태양계를 낳은 성간 구름을 거슬러 올라갈 수 없지만, TMC-1에서 파이렌이 발견되고 소행성 류구에서 다량의 파이렌이 존재한다는 사실은 파이렌이 우리 태양계의 많은 탄소의 원천이었을 가능성을 시사한다.

 

"우리는 이제 찬 구름에서 태양계의 실제 암석에 이르기까지 이러한 직접적인 분자 유산에 대한 가장 강력한 증거를 가지고 있다고 말할 수 있습니다."라고 맥과이어는 말한다.

연구팀은 이제 TMC-1에서 더 큰 PAH 분자를 찾을 계획이다.

또한 TMC-1에서 발견된 파이렌이 차가운 구름 내부에서 형성되었는지 아니면 죽어가는 별 주변의 고에너지 연소 과정에서 우주의 다른 곳에서 왔는지 여부를 조사할 계획이다.