태양계 이야기 1090 - 태양계 외곽 천체에서 확인된 이산화탄소와 일산화탄소

 

(An artist’s impression of a Kuiper Belt object (KBO), located on the outer rim of our solar system at a staggering distance of 4 billion miles from the Sun. Credit: NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)

(Spectrum of the surface of a trans-Neptunian object rich in carbon volatile ices obtained with JWST as part of the DiSCo Large Program. Absorptions of carbon dioxide (CO2), its isotopologue (13CO2), and carbon monoxide are highlighted in yellow. The light of the Sun (close to the center of the image) is dimmed billions of miles away, where the trans-Neptunian objects reside. Graphic rendering credit: William Gonzalez Sierra, Florida Space Institute)

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제임스 웹 우주 망원경의 주요 목표 중 하나는 멀리 떨어진 별과 은하 대신 우리 태양계의 어두운 천체들을 관측하는 것입니다. 센트럴 플로리다 대학 (UCF)의 과학자들이 이끄는 연구팀은 해왕성 궤도와 그 너머의 소행성인 TNOs(trans-Neptunian objects)를 관측하는 DiSCo-TNOs(Discovering the Surface Compositions of Trans-Neptunian Objects) 연구를 진행하고 있습니다.

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최근 DiSCo-TNOs 팀은 제임스 웹 우주 망원경으로 관측한 대부문의 TNOs에서 이산화탄소의 존재를 확인했으며 절반 정도에서는 일산화탄소의 존재도 같이 확인했습니다. 관측한 59개의 TNOs에서 생각보다 많은 56개의 천체에서 이산화탄소가, 28개에서는 일산화탄소가 검출되었는데, 이는 이 얼음 천체들 표면이 물의 얼음이나 다른 먼지로 덮혀 있어 이산화탄소가 쉽게 검출되지 않으리라는 기존의 예측을 깨뜨린 결과입니다.

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이산화탄소는 태양계 초기 원시 행성계 원반에 흔한 분자 중 하나였습니다. 산소와 탄소가 만나서 쉽게 형성되고 잘 분해되지 않는 분자이기 때문입니다. 이들은 해왕성 궤도의 낮은 온도에서 얼음 형태로 존재할 것으로 생각됐습니다. 다만 시간이 지나면서 먼지나 물의 얼음 같은 이물질의 그 위를 덮어 이산화탄소의 얼음은 직접 관측하기 어려운 것으로 여겨졌습니다. 실제로 제임스 웹 우주 망원경 관측 전에는 대부분 관측이 되지 않았습니다.

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하지만 제임스 웹 우주 망원경의 강력한 성능은 이 천체들 표면에 예상과는 달리 이산화탄소의 얼음이 충분히 존재한다는 것을 보여주고 있습니다. 이는 과거 태양계 원시 행성계 원반이 어떤 구조로 생겼고 물질 분포가 어떻게 되었는지를 알려주는 중요한 단서입니다. 태양계는 산소와 탄소가 풍부한 원시 행성계 원반에서 생성되었으며 TNOs에는 태초의 물질이 낮은 온도에서 고스란히 보존되어 있다고 말할 수 있습니다.

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다만 일산화탄소의 경우 태초의 물질이 아니라 이산화탄소가 태양 및 다른 천체의 방사선의 영향을 받아 생각보다 많이 존재할 가능성도 있습니다. 이를 정확히 구분하기 위해서는 추가 관측은 물론 탐사선을 보내 직접 확인할 필요가 있을 것입니다.

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제임스 웹 우주 망원경은 태양계의 비밀을 푸는 데도 최전선에서 맹활약하고 있습니다. 앞으로 태양계 외곽의 어두운 천체들에 대한 관측을 통해 새로운 비밀들을 하나씩 더 풀어나갈 것으로 기대합니다.

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참고

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https://phys.org/news/2024-05-scientists-ices-outskirts-solar.html

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Mário N. De Prá et al, Widespread CO2 and CO ices in the trans-Neptunian population revealed by JWST/DiSCo-TNOs, Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02276-x

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