(Illustration of the various OH bonding scenarios observed in the dark cloud Cha I with JWST. Three spectral features corresponding to three OH bonding environments are revealed in spectra along lines of sight towards Cha I. In the interstellar icy dust grain represented here, each OH bonding environment is represented by a “cutout” in the ice and its corresponding spectral absorption feature indicated. Environment one (right hand side) corresponds to OH stretches of H2O molecules fully bound to neighbouring H2O molecules in the ice, predominantly responsible for the intense H2O absorption feature at ∼3 μm. Environments two (left hand side) and three (centre) correspond to OH stretches of H2O molecules not fully bound to neighbouring water molecules i.e. dangling OH. Environment two (left hand side) illustrates dangling OH in a predominantly water ice environment, but not fully bound to the surrounding water molecules (2.703 μm), while environment three (centre) illustrates dangling OH in interaction with other molecular species in the ice (2.753 μm). This cartoon is intended to be illustrative of the various possible ice environments that contribute to the observed dangling OH absorption features, and we do not sketch the full distribution of chemical composition between grains nor the homogeneity of grains along the observed line of sight. Background image of Cha I. Credit: NASA, ESA, CSA, and M. Zamani (ESA/Webb); Science: M. K. McClure (Leiden University), F. Sun (Steward Observatory), Z. Smith (Open University), and the Ice Age ERS Team)
물은 우주에서 가장 흔한 원소인 수소와 상대적으로 흔한 원소인 산소가 만나 이뤄진 분자입니다. 그런 만큼 우주에 매우 흔한 분자이긴 하나 직접 망원경으로 그 존재를 관측하기는 쉽지 않습니다. 특히 새로운 별과 행성이 생기는 분자 구름에서 이를 직접 검출해 내는 일은 어려웠습니다. 그 양이 많지 않은데다 대부분 얼음 형태로 다른 먼지와 섞여 있기 때문입니다.
독일 막스 플랑크 연구소의 과학자들은 제임스 웹 우주 망원경의 강력한 자외선 관측 능력을 이용해 지구에서 가까운 분자 구름인 카멜레온 I (Chamaeleon I (Cha I))을 관측했습니다. 카멜레온 분자 구름은 지구에서 500광년 떨어진 분자 구름으로 그 내부에서는 새로운 별과 앞으로 행성이 될 원시 행성계 원반이 형성되고 있습니다.
별의 형성되는 과정에서 분자 구름에 있던 상당한 양의 물이 행성의 재료가 되기도 하고 소행성이나 혜성을 구성하기도 할 것입니다. 연구팀은 그 전단계에서 물 분자가 어떻게 분자 구름 사이에 존재하는지 알기 위해 2.7 마이크로미터 파장에서 매달린 OH (dangling OH)기의 파장을 관측했습니다. 물의 OH기는 주변 물 분자나 다른 분자에 붙어 상호 작용합니다.
연구 결과 물 분자들은 먼지 입자에 있는 다른 일산화탄소, 이산화탄소, 암모니아, 메탄 등과 함께 존재했습니다. 과학자들은 매달린 OH기와 물 분자의 구조를 파악해 이론적으로만 생각했던 물 분자의 존재와 분포를 확인할 수 있었습니다.
아마도 우리 태양계 역시 46억 년 이전에는 이런 형태로 존재했을 것입니다. 우리 몸에 있는 물이나 바다에 있는 물 역시 한 때는 이렇게 다른 분자들과 함께 우주를 떠돌아 다니다가 하나로 뭉처 지구를 형성했을 것입니다. 제임스 웹 우주 망원경 덕분에 과학자들은 이 과정이 어떻게 진행되었는지에 대해 더 자세히 알 수 있게 됐습니다. 제임스 웹 우주 망원경은 앞으로도 이전에는 관측이 어렵거나 불가능했던 우주의 비밀을 하나씩 밝혀낼 것입니다.
참고
https://en.wikipedia.org/wiki/Chamaeleon_complex
https://phys.org/news/2024-07-jwst-interstellar-ice.html
J. A. Noble et al, Detection of the elusive dangling OH ice features at ~2.7 μm in Chamaeleon I with JWST NIRCam, Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02307-7
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