천체화학

3. 분광학

천체화학에서 중요한 실험 도구 중 하나는 망원경을 사용한 분광학이다. 분광학은 다양한 환경에서 분자와 원자가 흡수하고 방출하는 빛을 측정한다.^[12] 천문 관측 결과를 실험실 측정 결과와 비교함으로써, 천체화학자들은 별과 성간 구름의 원소 풍부도, 화학 조성, 온도를 추론할 수 있다.^[12] 이는 이온, 원자, 분자가 특징적인 스펙트럼을 갖기 때문에 가능하다. 즉, 종종 인간의 눈으로는 볼 수 없는 특정 파장(색상)의 빛을 흡수하고 방출한다. 그러나 이러한 측정에는 제한이 있으며, 다양한 유형의 방사선(전파, 적외선, 가시광선, 자외선)은 분자의 화학적 특성에 따라 특정 유형의 종만 감지할 수 있다.^[12]

개별 화학 종을 감지하는 가장 강력한 기술은 전파 천문학이며, 이를 통해 라디칼, 이온, 유기 화합물(알코올, 산, 알데히드, 케톤 등)을 포함하여 100가지가 넘는 성간 종이 검출되었다.^[12] 가장 풍부한 성간 분자 중 하나이자 전파로 감지하기 가장 쉬운 분자는 일산화탄소(CO)이다. CO는 강한 전기 쌍극자 모멘트를 가지기 때문에 분자 영역을 매핑하는 데 사용될 정도로 흔한 성간 분자이다.^[12]

적외선 천문학은 성간 공간에 다환 방향족 탄화수소(PAH)라고 하는 복잡한 기체 상태 탄소 화합물군이 있음을 밝혀냈다. 주로 융합된 탄소 고리로 구성된 이 분자는 은하수에서 가장 흔한 부류의 탄소 화합물이라고 한다. 또한 운석과 혜성, 소행성 먼지(우주 먼지)에서 가장 흔한 부류의 탄소 분자이기도 하다.

적외선 천문학은 규산염, 케로젠과 같은 탄소 함량이 높은 고체, 얼음을 포함하여 성간 공간의 고체 물질의 조성을 평가하는 데도 사용된다.^[22] 이는 고체 입자에 의해 산란되거나 흡수되는 가시광선과 달리 IR 방사선이 미세한 성간 입자를 통과할 수 있지만, 이 과정에서 입자의 조성에 특징적인 특정 파장에서 흡수가 발생하기 때문이다.^[22]

4. 연구

성간 및 원반 주위 분자가 형성되고 상호 작용하는 방식에 대한 연구가 진행되고 있으며, 예를 들어 성간 입자에서 합성 경로에 대한 비자명한 양자 역학적 현상을 포함한다.^[25] 이 연구는 우리 태양계가 형성되었을 때 분자 구름에 존재했던 분자들의 집합에 대한 우리의 이해에 심오한 영향을 미칠 수 있으며, 이는 혜성과 소행성의 풍부한 탄소 화학, 그리고 매일 수 톤씩 지구로 떨어지는 운석과 성간 먼지 입자에 기여했다.

성간 및 행성간 공간의 희소성은 일부 특이한 화학 반응을 초래하는데, 대칭 금지 반응은 가장 긴 시간 규모에서만 발생할 수 있기 때문이다. 이러한 이유로 지구에서는 불안정한 분자와 분자 이온이 우주에서는 매우 풍부할 수 있으며, 예를 들어 H₃⁺ 이온이 있다.

천체화학은 별에서 발생하는 핵반응과 별 내부의 구조를 특성화하는 데 천체물리학 및 핵물리학과 중첩된다. 별이 주로 대류 외피를 발달시키면 준설 현상이 발생하여 핵 연소 생성물을 표면으로 가져올 수 있다. 별이 상당한 질량 손실을 경험하고 있다면, 방출된 물질에는 전파 망원경 및 적외선망원경으로 관찰할 수 있는 회전 스펙트럼 및 진동 스펙트럼 전이를 가진 분자가 포함될 수 있다. 이의 흥미로운 예는 규산염과 얼음 물 외부 외피를 가진 일련의 탄소별이다. 분광학을 통해 우리는 산소가 탄소보다 더 풍부했던 원래 조성에서 탄소별 단계로 전환하는 별을 볼 수 있는데, 여기서 헬륨 연소로 생성된 탄소는 깊은 대류에 의해 표면으로 가져와 별 바람의 분자 내용을 극적으로 변화시킨다.^[26][27]

2011년 10월, 과학자들은 우주 먼지가 별에 의해 자연적이고 빠르게 생성될 수 있는 유기 물질("혼합된 방향족-지방족 구조를 가진 비정질 유기 고체")을 포함한다고 보고했다.^[28][29][30]

2012년 8월 29일, 세계 최초로 코펜하겐 대학교의 천문학자들은 멀리 떨어진 별 시스템에서 특정 설탕 분자인 글리콜알데히드의 검출을 보고했다. 이 분자는 지구로부터 400광년 떨어진 원시별 바이너리 ''IRAS 16293-2422'' 주변에서 발견되었다.^[31][32] 글리콜알데히드는 RNA를 형성하는 데 필요하며, 이는 DNA와 기능이 유사하다. 이 발견은 복잡한 유기 분자가 행성 형성 전에 별 시스템에서 형성되어 결국 젊은 행성에 초기 형성기에 도달할 수 있음을 시사한다.^[33]

2012년 9월, NASA 과학자들은 다환 방향족 탄화수소(PAH)가 성간 매질(ISM) 조건에 노출되면 수소화, 산소화 및 수산화를 통해 더 복잡한 유기물로 변환된다고 보고했다. 이것은 각각 아미노산과 뉴클레오티드, 즉 단백질과 DNA의 원료로 가는 길의 "한 단계"이다.^[34][35] 또한 이러한 변환의 결과로 PAH는 분광학적 특징을 잃는데, 이는 "성간 얼음 입자, 특히 차갑고 밀도가 높은 구름의 외부 영역 또는 원시 행성 원반의 상부 분자층에서 PAH가 검출되지 않는 이유" 중 하나일 수 있다.^[34][35]

2014년 2월, NASA는 우주에서 다환 방향족 탄화수소 (PAH)를 추적하기 위한 개선된 스펙트럼 데이터베이스^[36]의 생성을 발표했다. 과학자들에 따르면, 우주의 탄소의 20% 이상이 PAH와 관련될 수 있으며, 이는 생명의 형성을 위한 가능한 시작 물질이다. PAH는 빅뱅 직후에 형성된 것으로 보이며, 우주 전반에 걸쳐 널리 퍼져 있으며 별 형성과 외계 행성과 관련이 있다.^[37]

2014년 8월 11일, 천문학자들은 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 전파망원경(ALMA)를 사용하여 HCN, HNC, H₂CO 및 먼지의 분포를 상세히 설명하는 연구 결과를 발표했다. 혜성 C/2012 F6 (Lemmon) 및 C/2012 S1 (ISON)의 코마 내부에서 처음으로 이루어졌다.^[38][39]

우주에서 화학 원소와 분자의 자원을 연구하기 위해, M.Yu. Dolomatov 교수는 확률 이론, 수학 및 물리 통계, 평형 열역학 방법을 사용하여 열역학 포텐셜에 따른 성간 환경에서 분자 조성 분포의 수학적 모델을 개발했다.^[40][41][42] 이 모델을 기반으로 생명 관련 분자, 아미노산 및 질소 염기의 자원이 성간 매질에서 추정된다. 석유 탄화수소 분자가 형성될 가능성이 제시되었다. 주어진 계산은 우주에서 석유 탄화수소의 형성에 대한 소콜로프와 호일의 가설을 확인한다. 결과는 천체물리 관찰 및 우주 연구 데이터로 확인된다.

2015년 7월, 과학자들은 ''필레'' 착륙선이 67P 표면에 처음 착륙했을 때, COSAC 및 Ptolemy 기기의 측정 결과, 아세트아미드, 아세톤, 메틸 이소시아네이트 및 프로피온알데히드를 포함하여 혜성에서 처음으로 발견된 16개의 유기 화합물이 밝혀졌다고 보고했다.^[43][44][45]

2023년 12월, 천문학자들은 행성 토성의 위성인 엔켈라두스의 플룸에서 생명에 필수적인 화학 물질일 수 있는 시안화수소를 처음으로 발견했으며, 아직 더 잘 식별하고 이해해야 하는 다른 유기 분자도 발견했다고 보고했다.^[46] 연구진에 따르면, "이러한 [새롭게 발견된] 화합물은 기존 미생물 공동체를 지원하거나 생명의 기원으로 이어지는 복잡한 유기 합성을 촉진할 수 있다."^[47][48]

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4. 1. 성간 분자 연구

4. 2. 혜성 및 행성 연구

4. 3. 한국의 천체화학 연구

참조

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