질량이 큰 별은 사실 생성되기 쉽지 않습니다. 상식적으로 생각해도 질량이 커지려면 그만큼 많은 가스가 중력에 의해 뭉쳐야 하는데 이것보다는 작은 질량의 가스 덩어리가 항성을 생성하기 쉬울 수 밖에 없겠죠. 실제로 우리 은하의 경우에도 가장 흔한 별의 형태는 태양 질량의 40 - 50% 이하인 적색 왜성 (red dwarf) 들입니다.
그러나 은하계에는 태양 질량의 8 배가 넘는 거대 질량 별들도 분명히 존재합니다. 질량이 클수록 수명이 급격히 짧아지는 별의 특징 때문에 이들은 생성된 후 얼마 안되 최후를 맞이하긴 하지만 심지어 태양 질량의 100 배에 달하는 초 거대 질량별도 존재하죠. 과학자들은 이렇게 큰 질량의 별이 과연 어떤 메카니즘으로 생성되는지 연구하고 있습니다. 이 연구를 뒤집어 말하면 어떤 별은 작고 어떤 별은 커지는지에 대한 연구라고 할 수도 있겠죠.
최근 알마 (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ) 전파 망원경은 우리 은하에서 가장 춥고 어둡지만 밀도가 높은 가스 구름을 관측했습니다. 알마 ( http://jjy0501.blogspot.kr/2013/03/148-alma.html 참조) 전파 망원경은 가시광으로는 볼 수 없는 아주 차가운 물질을 관측하는데 이상적인 도구라고 할 수 있습니다. 이를 이용해서 우리는 볼 수 없는 것을 보게 되는 것이죠.
알마는 지구에서 약 1 만 광년 떨어진 Infrared Dark Clouds 라는 가스 구름을 관측했습니다. 이 구름은 이미 상당히 자체 중력으로 밀도가 높아져 태양만한 질량의 별이 생겨나도 이상하지 않은 상황입니다. 그러나 실제로는 별이 생길 것 같은 중심부에는 아무것도 존재하지 않습니다. 이 '별이 없는 구름 핵 (Starless cloud core)' 은 거대 질량 별 탄생의 메카니즘을 이해하는데 중요하다고 생각되는데 더 많은 질량의 가스가 중력으로 뭉치도록 허용하기 때문입니다.
연구의 주저자이자 플로리다 대학의 천체 물리학자인 조나단 탄 (Jonathan Tan) 및 미국, 영국, 이탈리아의 다국적 연구자들은 아마도 가스 구름이 중력으로 인해 빠르게 뭉치는 것을 방해하는 힘이 있는 것으로 보인다는 증거를 발견했다고 합니다. 알마를 통해 관측한 것은 중수소 (deuterium - 수소의 동위원소로 하나의 양성자와 중성자를 가지고 있는 원소) 으로 이 중수소는 일반적인 수소에 비해 낮은 온도와 압력에서도 핵융합 반응을 일으키므로 초기 별의 탄생에서 중요한 역할을 하게 됩니다.
(알마 데이터를 바탕으로 재구성한 가스 구름의 이미지 (위) 와 N2D+ 이온 관측 데이터 (아래), 클릭하면 원본. This image shows the ALMA data overlaid on an artist’s impression background. The ALMA data show two main cores as imaged by emission from the molecular ion N2D+ (two nitrogen and one deuterium atom). The core on the right is particularly bright and rounded, suggesting it is self-gravitating and poised to form a massive, single star – a very rare occurrence in star formation. The other core appears more distorted and fragmented, potentially leading to the formation of multiple lower-mass stars. This fragmentation is a normal process in star-forming clouds. Credit: Bill Saxton & Alexandra Angelich (NRAO/AUI/NSF); ALMA (ESO/NAOJ/NRAO))
과학자들이 찾아낸 것은 두개의 질소와 하나의 중수소가 결합한 N2D+ 이온으로 낮은 온도의 가스 구름에서 흔하게 볼 수 있다고 합니다. 중수소는 초기에 연소된 후 급속도로 농도가 떨어지고 그 자리를 일반적인 수소가 대체 합니다. 이 연구에서는 상당한 양의 중수소가 알마에 의해 관측되었습니다. 즉 연소가 전혀 일어나지 않고 있다는 것이죠. 무엇인가가 연소를 막는 힘을 가하고 있습니다. 연구자들은 이렇게 큰 코어를 유지할 수 있는 이유가 가스 구름 내의 강력한 자기장이 중력에 의한 붕괴를 막기 때문이 아닌가 추정하고 있습니다.
현재 알마는 거대 항성이 생길 수 있는 가스 구름에 대한 정보를 캐내고 있습니다. 하지만 그 정확한 메카니즘은 아직 확실히 규명되지 않고 있습니다. 앞으로 보다 많은 연구와 관측이 진행되면 어떻게 거대 별이 탄생하는지에 대해서 보다 정확한 내용을 알수 있을 것으로 생각합니다. 이 연구는 Astrophysical Journal 에 실릴 것이라고 하네요.
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