우주

#성간 얼음

천문·천체물리

우주 먼지 유사체에서 물 얼음의 자외선 광탈착 억제 현상 확인

연구팀은 평판형 금·올리빈과 그을음(soot) 나노입자, 올리빈 미세입자 위에 2~6 단분자층(monolayer) 두께의 물(H₂O) 얼음막을 증착해 12K와 60K에서 마이크로파 방전 수소 램프로 자외선을 조사하고, X선 광전자분광법과 반사흡수 적외선분광법으로 얼음 감소를 관측했다. 평판형 금에서는 광탈착 수율이 얼음 피복량에 따라 2~6 단분자층 구간에서 광자당 약 5×10⁻⁴에서 약 2×10⁻³ 분자로 거의 선형 증가했고, 평판형 올리빈도 비슷한 값을 보였다. 반면 입자형 올리빈에서는 광탈착이 억제됐고 그을음에서는 더 강하게 억제돼 12K에서 금보다 최대 약 40배 낮은 수율을 기록했다. 연구팀은 이 억제가 불균일한 얼음 성장과 나노 규모 얼음 영역 내 에너지 재분배 변화를 반영할 수 있다고 보며, 평판 기판에서 측정한 수율이 우주 먼지의 얇은 얼음 외피에서 일어나는 광탈착을 상당히 과대평가할 가능성을 제기한다.

arXiv astro-ph.GA (은하)

천문·천체물리

성간 얼음의 우주선 용융 창은 4탄소 케토스를 만들지만, G+0.693-0.027의 당 분포는 재현하지 못한다

은하 중심 분자운 G+0.693-0.027에서 4탄소(C4) 케토스인 에리트룰로스(ERU)가 글리콜알데하이드(GA)와 비슷한 분자 밀도(column density)로 보고된 반면, 3탄소(C3) 당은 검출되지 않았다. 연구진은 우주선 중이온이 성간 얼음에 만드는 '용융 창(melt window)'이 이 분포를 설명할 수 있는지 11종 우주선 핵종의 트랙 모형과 포름알데하이드·메탄올 유래 C1 라디칼 반응망으로 검증했다. 수화된 GA가 C4 케토스를 우선적으로 만드는 경로를 열어 ERU가 케토스라는 점은 설명되지만(차가운 표면 화학으로도 설명 가능), 전체 분포는 재현되지 않았다. C1 라디칼이 탄소를 하나씩 추가하면서 ERU/GA가 관측값에 도달할 때 디하이드록시아세톤은 상한의 15배에 이르고, 용융 영역 밖에 사건당 분자당 0.41 eV가 쌓여 사건 사이에 당이 파괴되는데, 관측 비율은 반감기 선량 1000 eV 이상에서만 성립해 측정값 5 eV 미만과 어긋난다. 노출 조건은 이온화율 ζ=10⁻¹⁴ s⁻¹에서 65 Myr 동안 2,940회의 입자 전체 용융 사건에 해당하며, 7 Myr 안에 달성하려면 중심분자권(CMZ) 고밀도 가스 상한의 9.3배인 ζ≳9.3×10⁻¹⁴ s⁻¹가 필요하다는 점에서, 표준 가정 아래 G+0.693의 당은 우주선 용융 창에서 만들어지지 않는다는 결론이다.

arXiv astro-ph.GA (은하)

A starship flying to an extraterrestrial planet.
천문·천체물리

CO₂ 성단 표면의 분자 결합에너지 계산: 물 얼음보다 약하게 결합, 포름알데하이드는 57K에서 탈착

CO₂는 가장 풍부한 성간 얼음 중 하나이며 제임스웹 우주망원경(JWST)으로 물이 풍부한 혼합물과 순수 CO₂ 환경에서 관측됐지만, CO₂ 얼음에 대한 결합에너지(BE) 자료가 부족해 천체화학 모델은 물 얼음에서 측정한 값을 사용해 왔다. 연구진은 CCSD(T)/CBS로 보정한 DFT를 이용해 2~5개 분자로 이루어진 CO₂ 클러스터 위에서 12종 흡착종(N₂, CH₄, HCl, C₂H₂, H₂S, HF, HCN, H₂CO, HCOOH, HNC, CH₃OH, H₂O)의 결합에너지 분포를 계산했다. CO₂는 수소결합을 받을 수는 있지만 내놓을 수 없어, 물 얼음과 비교한 6종 모두가 CO₂ 위에서 더 약하게 결합했으며 결합에너지 비는 H₂CO 0.66, H₂O 0.75부터 CH₃OH 0.87, HCOOH 0.89, C₂H₂ 0.92까지 나타났다. 포름알데하이드는 물이 풍부한 얼음에서의 85K와 달리 CO₂가 풍부한 얼음에서는 57K 부근에서 탈착될 것으로 예측돼, 저온 기체상 H₂CO의 기원에 기여할 수 있다. 결합에너지는 흡착 위치에 따라 500K 이상 차이가 났고 탈착 피크는 CH₄의 11K부터 HCOOH의 132K에 걸쳤으며, CO₂의 제한된 수소결합 능력은 혼합 H₂O:CO₂ 얼음이 CO₂가 풍부한 영역으로 분리되는 것을 선호할 수 있다.

arXiv astro-ph.GA (은하)

ISS046e005678 (01/04/2016) ---- ESA (European Space Agency) astronaut Tim Peake works on the Advanced Colloids Experiment 2 (ACE H2) Hardware Configuration and Mix Part 1. Peake sent out a Twitter mes
천문·천체물리

물이 성간 얼음 속 '난휘발성 황' 형성을 촉진한다 — 사라진 황의 저장고 규명

연구팀은 H2S를 포함한 성간 얼음 유사체에 물이 있는 경우와 없는 경우로 나눠 자외선 조사와 승온 실험을 수행하고, 남은 난휘발성 잔류물을 ex situ 분석했다. 자외선 조사와 열처리 과정에서 S6~S8 황 동소체를 포함한 난휘발성 황 화합물이 생성됐으며, 물이 있으면 이들 동소체의 형성량이 두 자릿수(100배) 규모로 증가했다. 연구팀은 물-얼음 기질이 이온 중간체를 안정화해 사슬 성장과 고리화를 촉진하고 주로 S8을 만들어내는 형성 메커니즘을 제안했다. 잔류물에서 황 동소체와 폴리티온산 계열 화합물이 함께 검출된 점은 운석·소행성 시료 보고와도 부합하며, 먼지 입자를 덮은 전혜성(pre-cometary) 얼음 맨틀에서의 생성 가능성을 뒷받침한다. 이들 화합물은 분자당 여러 개의 황 원자를 품을 수 있어 별이 태어나는 밀집 분자운에서 '사라진 황'의 효율적인 고체상 저장고가 되며, 난휘발성 황은 우주의 물-얼음 환경을 추적하는 지표로 쓰일 수 있다.

arXiv astro-ph.EP (행성계)

천문·천체물리

펄스 이온 편향으로 극저온 얼음 분석의 검출기 포화 문제 해결

연구진은 극저온 성간 얼음의 자외선 광화학 반응을 레이저 어블레이션과 비행시간 질량분석기(ToF-MS)로 분석하는 장치 MATRI²CES에서, 분자 복잡도가 높아질수록 검출기의 동적 범위 한계로 큰 광생성물 검출이 어려웠던 문제를 보고했다. 이를 해결하기 위해 고에너지 펄서로 ToF-MS 편향판 전압을 정밀 제어해 가장 풍부한 화학종이 검출기에 도달하지 못하도록 편향시키는 방법을 도입했고, 검출기 작동 전압을 2500V에서 3000V까지 높일 수 있었다. 아르곤 매트릭스 실험에서 ⁴⁰Ar⁺ 이온을 편향시키자 m/z=20의 ⁴⁰Ar²⁺와 m/z=80의 ⁴⁰Ar₂⁺ 검출 감도가 30배 향상됐으며, 자외선을 조사한 메탄올 얼음에서도 훨씬 큰 복잡 유기분자를 측정할 수 있었다.

arXiv astro-ph.GA (은하)