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- 극도로 높은 에너지, 중성자 밀도 환경의 원자는 빠른 중성자에 의해 충격을 받아
- 그 결과로 새롭고 무거운 원소가 형성돼
- 일본의 슈퍼컴퓨터, 빅뱅에서 현재까지 은하수와 그 동반자에 있는 원소 진화 재구성
- 100억 년 전에 금, 백금 및 무거운 원자를 생성하기에 충분한 중성자별 충돌
- 중성자별 충돌이 은하수와 그 위성의 역사에서 r-과정 요소의 지배적인 근원

금(Gold): 우리 은하계에서 온 것이 아니다.

우리 은하의 금이 풍부한 많은 별은 이웃한 왜소은하에서 형성됐다.

외부은하 기원:
우리 은하수에 있는 금의 대부분은 원래 다른 곳에서 형성되었을 수 있다. 나중에 은하수에 삼켜진 고대 왜소은하다. 100억 년 전에 금, 백금 및 기타 중금속이 형성된 왜소은하에서 중성자별 충돌이 발생했다. 이 물질로부터 금이 풍부한 별과 행성이 형성되었으며, 천문학자들의 보고에 따르면 이들은 현재 우리 은하의 일부다. 

▲ 금과 다른 무거운 원소들은 우주에서 어디에서 어떻게 형성되었을까? 지금까지 이것은 여전히 ​​논란의 여지가 있다. © NSF/LIGO/Sonoma State University, A. Simonnet

금, 백금 및 기타 무거운 원소의 형성은 오랫동안 미스터리였다. 비스무트보다 무거운 원자는 일반 별과 초신성에서 형성될 수 없기 때문에 소위 r-과정이라고 하는 빠른 중성자 포획이 필요하다. 극도로 높은 에너지, 중성자 밀도 환경의 원자는 원자핵이 성장하고 양성자가 형성되는 방식으로 빠른 중성자에 의해 충격을 받는다. 결과적으로 새롭고 무거운 요소가 형성된다.

금의 창시자에 대한 수수께끼

그러나 문제는 이 r-프로세스가 발생하는 위치가 부분적으로만 밝혀졌다는 것이다. 이론적 모델은 금, 백금 등이 주로 중성자별이 충돌할 때 형성된다고 제안한다. 그러나 지금까지 직접 관측된 유일한 중성자별 충돌의 복사 스펙트럼에서는 무거운 원소의 흔적을 거의 찾아볼 수 없었다. 게다가 우리 은하에는 상대적으로 드문 중성자별 충돌만으로 설명할 수 있는 것보다 5배 더 많은 금이 있다.

게다가, 은하수 초기부터 많은 오래된 별들은 금이 풍부하지만, 중성자별은 소수에 불과했고 이 별 유물들의 충돌은 훨씬 적었다. 따라서 주로 은하수의 헤일로에 있는 이 별들이 어떻게 중금속을 갖게 되었는지는 논란의 여지가 있는 만큼 수수께끼다. 일부 천문학자들은 특정 초광속 초신성, 폭발하는 백색 왜성 또는 아마도 블랙홀 주변 환경이 무거운 원자를 생성했다고 의심한다.

▲ 중성자 별 충돌은 금 형성 r-과정에서 선호되는 후보다. © University of Warwick/ Mark Garlick, CC-by 4.0

재구성된 은하수의 화학적 역사

Max Planck Institute for Gravitational Physics의 Shinya Wanajo가 이끄는 천체 물리학 자들은 이제 금이 풍부한 별의 기원을 명확히 할 수 있었다. 연구를 위해 그들은 천문학적 데이터와 복잡한 수치 시뮬레이션을 기반으로 은하수, 헤일로 및 위성 은하의 화학적 진화를 재구성했다. "우리의 목표는 중성자별 충돌이 은하수의 다른 부분에서 유일한 r-프로세스 위치가 될 수 있는지 알아내는 것이었다"고 팀은 말했다.

일본의 강력한 슈퍼컴퓨터에서 몇 달 동안 계산된 이 시뮬레이션은 빅뱅에서 현재까지 은하수와 그 동반자에 있는 요소의 진화를 재구성한다. 높은 시간 해상도 덕분에 별과 그 유물에서 형성된 원소의 주기를 정확하게 추적할 수 있다. 천문학자들은 구체적으로 초신성, 초신성 유형 1a 및 중성자별 충돌이 어떤 기여를 했는지 테스트하고 있다.
금은 은하계 이웃에서 시작되었다.

▲ 가상 은하수는 시뮬레이션의 기초 역할을 했다. © Takayuki Saitoh(Kobe University/Tokyo Tech ELSI), Takaaki Takeda(VASA Entertainment Co., CC-by 4.0)

놀라운 결과:
은하수의 오래되고 금이 풍부한 별들은 우리 은하에서 온 것이 아니다. 그들은 원래 작은 이웃 은하에서 형성됐다. 100억 년 전에 금, 백금 및 기타 원소와 같은 무거운 원자를 생성하기에 충분한 중성자별 충돌이 있었다. 이 무거운 원소들은 왜소은하의 성간 매질에서 농축되어 금이 풍부한 별을 형성할 수 있게 한다.

성장하는 은하수가 이 난쟁이 은하들과 충돌하여 그들을 흡수했을 때에만 이 별들과 함께 무거운 원소들이 우리 은하계에 도달했다. 공동 저자인 일본 토호쿠 대학의 히라이 유타카(Yutaka Hirai)는 “우리 은하의 금이 풍부한 별 대부분이 100억 년 전에 왜소은하에서 형성되었다는 사실을 발견했다. 이 고대 난쟁이 은하는 은하수의 구성요소였다"고 말했다.

주요 원인으로 중성자별 충돌

이러한 결과는 은하수 헤일로에 있는 오래된 별의 원소 구성에서 일부 특이성을 설명할 수 있다. 동시에 연구원들에 따르면 이국적인 초신성은 금이 풍부한 별에서 무거운 원소를 형성하는 데 단지 작은 역할만 했다고 지적했다. "우리의 결과에 기초해, 우리는 중성자별 충돌이 은하수와 그 위성의 역사에서 r-과정 요소의 지배적인 근원이었다고 주장한다"고 Wanajo와 그의 동료들은 말했다.

그러나 과학자들은 그들의 재구성이 많은 단순화된 가정에 기초하고 있음을 인정한다. "따라서 우리는 r-프로세스 요소의 기원을 명확하게 결정하기 위해 이론적 연구와 천체물리학적 관찰 모두에서 더 발전해야 한다.”
(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2022; doi: 10.1093/mnras/stab1655)
출처: Royal Astronomical Society

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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