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중성자별 충돌로 생성된 것 보다 5배 많은 금원소.
새롭게 제기된 가능성은 초신성 폭발.

금의 기원에 대한 새로운 수수께끼
중성자별 충돌만으로는 무거운 원소의 형성을 설명할 수 없다.

신비한 기원 : 금과 다른 무거운 원소들은 어떻게 만들어졌을까?
우주에서의 새로운 핵이 합성되는 원인과 만들어진 결과물을 조사해 보면 놀라운 답을 얻게 된다. 현재 잘 알려진 이론과는 달리, 중성자별 충돌은 이러한 무거운 원소를 단독으로 생성할 수 없다. 중성자 충돌결과라고 하면 우주에 있는 금의 양은 지금보다 5배가 더 적어야 한다. 그러므로 필요한 반응이 일어나게 하는 다른 과정이 있어야 한다.
어떤 과정일까?

▲ 중성자별이 충돌했을 때 금과 다른 무거운 원소가 형성되었다고 널리 알려져 있지만, 모두가 그렇지 않다. 다른 과정이 있어야 한다. © University of Warwick / Mark Garlick

빅뱅 이후 우주에는 수소와 약간의 헬륨, 리튬만 존재했다.
다른 원소의 대부분은 별이나 초신성에서 형성되었다.
이것은 철보다 무거운 원자에는 충분하지 않으며 중성자를 포획해야만 성장할 수 있다.
자유 중성자는 핵이 분해돼 일부가 양성자가 될 때까지 원자에 축적된다.

이 반응의 느린 변형인 소위 s-process는 주로 적색 거성에서 발생하지만 비스무트(Bi) 질량까지만 원소를 생성 할 수 있다. 은, 금 또는 백금과 같은 더 무거운 원자조차도 더 높은 에너지, 더 빠른 버전의 중성자 포획인 r-프로세스를 기반으로 한다.

우주에서 금을 만드는 것은 중성자별?

어떤 우주 과정에서 이 r-과정이 일어나는지는 논쟁의 여지가 있다.
이국적인 초신성뿐 아니라 중성자별 충돌도 논의 중이다.
2017년 이러한 충돌의 첫 번째 증거는 금, 스트론튬 및 co가 실제로 후자에서 형성된다는 것을 확인했다.
2019년에 또 다른 연구도 중성자별이 "원소 공장"으로서의 역할을 확인했다. r-프로세스의 우주적 기원이 발견된 것 같다.

그러나 최근 은하핵 합성의 새로운 균형은 이 그림에 의문을 던진다.
Hertfordshire 대학의 치아키 코바야시(Chiaki Kobayashi)와 동료들은 주기율표의 모든 원소의 형성을 조사하기 위해 그들의 모델을 사용했다. 또한 기본 과정이 오늘날 관찰될 수 있는 이러한 원자의 양을 설명 할 수 있는지 여부를 결정했다.
"이것은 우리가 시간적, 공간적 맥락에서 원소의 기원을 볼 수 있게 해준다"고 연구원들은 말한다.

충돌로 설명할 수 있는 것보다 5배 더 많은 금

놀라운 결과 :
대부분의 요소에 대해 현재 모델은 관측과 일치한다.
우주의 초신성과 기타 폭발 과정은 빅뱅 이후로 충분히 생성됐다.
그러나 이것은 금과 다른 무거운 원소에는 적용되지 않는다.
오늘날의 우주에는 중성자별 충돌만으로 만들 수 있는 것보다 더 많은 것이 있다.
Monash University의 공동 저자 Amanda Karakas는 "정말 놀라운 일이었다."

예를 들어 금은 모델이 제안하는 것보다 우리 은하에서 5배 더 흔하다.
다른 r-process 요소에도 동일하게 적용된다.
과학자들은 “오늘날 충분한 원소의 양을 생성하기에 중성자별 충돌이 충분하지 않다”고 답했다. 또한 별이 중성자별이 되어 충돌하는 데에는 매우 오랜 시간이 있다. 이것은 초기 우주에서 그 모든 금이 어디에서 왔는지에 대한 질문을 제기한다.

고바야시와 그의 팀은 "중성자별 합병을 통해서만으로는 r-프로세스 요소의 진화를 설명할 수 없다"고 말했다. "충돌률이 너무 낮고 시간 간격이 너무 길기 때문이다."

▲ 우라늄까지 원소와 그 형성 과정의 주기율표. © Chiaki Kobayashi 외 / Sahm Keily

초신성이 설명을 제공할까?

금과 유사한 무거운 원소의 기원은 새로운 수수께끼를 낳았다.
왜냐하면 원소 중 일부는 중성자 충돌과는 다른 과정으로 생성되기 때문이다.
무엇을 통해서일까? 빠른 중성자 포획하기 위해서는 엄청난 에너지가 필요하다.

천체 물리학자들 사이에서 논의되는 한 가지 가능성은 신비롭고 특히 강한 초신성이다.
이 초신성에서 매우 거대하고 빠르게 회전하고 강한 자성을 가진 별의 핵이 붕괴돼 폭발보다 훨씬 더 큰 에너지를 방출한다.
천문학자들은 이미 우주에서 거대한 폭발의 일부를 관찰했다.
이 초신성에서 어떤 원소가 방출디는지는 불분명하다.
금과 유사한 무거운 원소에 대한 수수께끼는 여전히 의문이다.
(Astrophysical Journal, 2020; doi : 10.3847 / 1538-4357 / abae65)

출처 : ARC Center of Excellence for All Sky Astrophysics in 3D (ASTRO 3D)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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