외계행성과 생명 Extraterrestrial Planets and Life 년 1 학기 교수 : 이 상 각 25-1 동, 413 호 : 조교 : 신영우 25-1 동, 406 호 :

행성계 생성 항성에서 무거운 원소 생성 지구형 행성 목성형 행성 생명체 대 폭발

제 1 세대 별들 중심핵에서의 핵반응으로 우주에 첫 탄소, 산소 공급 적색거성 이후 진화에 의해 고온, 고밀도에서 sulfur, phosphorous, silicon 과 마지막으로 철 생 성 철은 가장 낮은 핵포턴셜에너지를 갖고 있어 핵 합성으로 에너지 방출이 않됨. 초신성 폭발로 C, O, P, S, Si, Fe 방출, 폭발때 더 무거운 원소들 생성.

제 2 세대 항성 생성 분자운에 제 1 세대에서 만들어진 C, O 가 섞여있다.  수소 -> 헬륨으로 핵합성되는 과정 P-P 연쇄 반응 + CNO cycle 반응 CNO cycle 반응 :  C, O 촉매로 4 개 수소가 1 개의 헬륨 으로 ( 대부분 N 의 생성지 )

The CNO Cycle

제 2 세대 항성 제 1 세대 항성에서 생성 된 C, O 를 매개로 CNO cycle 에 의한 핵합 성 이 과정에서 우주에 있 는 대부분의 질소 생성. 제 2 세대 항성의 폭발로 우주에 C, N, O 가 존재 하게 되어 항성과 행성 이 생성되는 분자운에 C, N, O 존재 Cas A SN 폭발 – 챤드라 관 측 ; Si, Fe, Ca 을 방출

제 2 세대의 항성 폭발 생명에 필요한 기초 원소 C, N, O 는 적어도 제 2 세대 항성 폭발 이후 우 주에 존재 지구상 생명체와 같은 생 명체는 적어도 제 2 세대 항성 폭발 이후 발생 외부은하에 초신성 폭발

그 후 세대 별들 제 1, 2 세대 별들이 새로이 만들어낸 원소들 이 우주에 퍼짐 질소를 갖는 태양 같은 항성은 적어도 제 3 세대 이후의 항성. 첫 세대 항성이 많이 생성되었던 지역이 주 로 은하 중심  중심에 무거운 원소가 많은 것을 설명 (Seen in ours and other galaxies.) 핵 합성은 강한 핵력과 관련

10 cm 1 nm = m 0.1 nm 물분자 산소원자 1 fm = m 산소핵

분자 두 개 이상의 원자들로 결합된 중 성 상태 화합물 분자는 가장 작은 화합물.. 대략 110 여 개의 원소가 있는 반면, 수 백만 종류의 분자들, 실제 거의 무한종류가 가능 생명체에 분자 중에는 수억 개의 원자로 구성된 분자.. silly/sillymols.htm

수소분자 H 2 H 2 분자 – 가장 단순한 두개의 수소 로 된 분자. – 두개의 양성자, 두개의 전자 – 전자기력 : 두개의 반발력, 두개의 인 력  반발력과 인력이 비기는 상태  공유 결합. 그러나 He 2. 분자 X!! 분자상 원소 : H 2, N 2, O 2, F 2, P 4, S 8, Cl 2, Br 2,, I 2 oftheuniverse.com/ h2.html

분자의 깨지기 쉬움  생명체 유연성 분자가 깨지기 쉬우나 안정 많은 종류  유연성..  dominance in life 핵 반응의 벽 보다 화학 반응의 벽이 현저히 낮다.  100 – 1000 도. ecial/genetics/

분자 구조식 H 2 나 CO 2 로 기술 또는 수소 분자 H-H 단일 결합 전자를 공유 이산화 수소 O=C=O 이중결합 두개의 전자를 공유

성간 물질에서 분자 관측 1968 이 후 ( 전파 ) 수소 분자 : 가장 많으나 관측이 어렵다 Carbon monoxide (CO) : 수소 다음으로 가장 흔함 Water (H 2 O) Ammonia (NH 3 ) Formaldehyde (H 2 CO) Glycine (NH 2 CH 2 COOH) Ethyl alcohol (CH 3 CH 2 OH): 은하 중심에 목성 만큼 존재 Acetic Acid (CH 3 COOH Urea [(NH 2 ) 2 CO] 탄소 chain 에 의한 시아노폴린스 분자들 HCN, HC 3 N, … HC 11 N ( 모두 삼중 결합 ) 가장 복잡한 성간 분자  13 개 원자에 의한 분자  더 복잡한 분자의 존재 가능성  성간 분자도 탄소 dominance  지구상 화학 진화의 실마리 제공

성간에서 130 여종의 분자가 발견됨. H 2 O, NH 3, CO, CS, HCN, H 2 CO, CH 3 OH, C 2 H 5 OH, ….

에틸 알콜

먼지 입자  m 보다 작은 입자로 크기의 범위는 매우 넓다. 분자 생성과 분자를 UV 로 부터 보호하는 중요한 역할 별의 진화에 늙은 상태 때 물질이 밖으로 방출되는 과정에서 생성 별의 진화에 따라 Silicates(silicon 과 산소 minerals), sometimes ice-coated 주로 탄소로 된 PAH( 다중방향탄화수소 ) 의 더 큰 구조 : 석연 (graphite) Soot, molecules Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) Dust particle (interplanetary)

표면 촉매로 먼지 알갱이 표면 에서 수소 분자 생성 입자 입자의 충돌에 의한 분자 결합  충돌 에너지 방출이 필수 수소분자는 광 자로 충돌에너 지 방출이 매 우 느리다.

복잡한 분자 형성 우주선이 분자운 속에 분자를 이온화 : HCO+ 는 더 큰 분자로 결합 실제 HCO+ 관측 가스 상태 분자 => 전파 방출 알갱이에 붙은 상태 => 적외선 흡수, 방출 H 2 O : 3  m 흡수 features ==solid water =ice NH 3, CH 4, CH 3 OH IR 흡수선 == frozen on the dust

우주선 (Cosmic-Ray) 우주선의 성분 – 양성자 ( 주로 ), 전자, 양전자, 원자핵 – 속도는 광속의 90% – 자기장의 영향을 받는다. 우주선의 기원 – 우리 은하에서 온다. – 우주선이 지구에 도달하기까지의 거리는 ? C, N, O 와 Li, Be, B 의 상대 숫자. 우리 은하 둘레의 30 배 – 초신성의 폭발에서 생성

분자운 93% 분자 수소, 6% 헬륨원자 1% 무거운 원소 – 분자, 먼지 CO 관측 => 분자운의 온도 ~10 도 K H 2 CO, HCN, CS => 분자운의 밀도 분자운 밀도 > 10 2 cm -3 ( 성간 ~ 1 cm -3, 공기 cm - 3, 물 cm -3, 태양 cm -3 ) 크기 : 1 광년 – 300 광년 질량 : 1m o – 10 6 m o ( 별의 질량 0.1 – 100 m o )

별은 분자운에서 만들어 진다. 별은 자신을 성간에 흩뿌리면서 일생을 마친다. 그 사이에 지속적으로 성간 분자운에 무 거운 원소가 증가된다. 무거운 원소는 지구와 생명체를 만드는 재료가 된다. S, P, O, N, C, H, Si, Fe, Ni …..

성간 물질, 성간 구름의 존재 별 빛의 성간 적색화 별의 스펙트럼에 추가된 성간 구름에 의 한 스펙트럼선들 전파 파장의 분자선들 발광 성운 반사 성운 암흑 성운

. 성간 물질 성간 물질 : ( 별 총질량의 5%) – 기체 (gas) 성간 물질의 99% 평균 밀도 = 수소하나 / cm^3 – 성간 티끌 (dust) 성간 물질의 1% 티끌 밀도 = 수백 - 수천 /km^3 티끌의 크기 = 0.1  m 성간운의 종류 – 발광 성운 (by gas in HII) – 반사 성운 (by dust) – 암흑 성운 (by dust) 암흑 성간운 ( 발광, 반사, 암흑 성간운 )

성간 기체 1. HII 영역 뜨거운 별 근처의 이온화 된 수소기체  재결합  수소선 방출 ( 붉은 색 : Ha) 2. 중성 수소 구름 ( 따듯한 성간운 ) : HI Na, Ca, 원자, CN, CH 분자 ( 가시 영역 ) H, C, N, O, CO, H2O ( 자외선, 적외선 – 인공위성 관측 ) 3. 저온 성간운의 21cm 수소선 : HI 수소 바닥 상태의 초미세 구조 4. 초고온 성간기체 – 고도로 전리된 각종 원소의 이온들  백만도  초신성 폭발 5. 성간 분자 – 130 여종 ( 수소분자, 물분자, 암모니아, 황화수소

성간운 종류 온도 밀도 (cm^-3) 성질 HI : 저온 성간운 10^2 50 원자 수소, 3 – 30 광년 HI: 따듯한 성간운 3-6*10^3 0.3 중성 원자 수소 초고온 기체 10^5-6 10^-3 은하전역, 전리 수소, 초신성 HII 영역 : 10^4 10^2-4 고온 항성 부근, 수소 완전 전리 거대 분자운 10 10^5 까지 광년, 고밀 덩어리 집합

성간운 성간운의 구조와 분포 – 압력이 평형 P = nRT T [K]n(H) [cm -3 ] Cold Core8040 Warm Neutral Layer Warm Ionized Layer10 4 성간운의 바깥쪽 성간 분자 (in Cold Core) – 분자의 진동과 회전 운동이 방출 선을 낸다. 적외선과 전파로 관측한다. – 여러가지 종류의 분자가 존재한다. H 2,CO, NH 3, H 2 O, H 2 CO, HCN 분자의 생성과 해리

성간운 성간운 성간운의 진화 – 성간운의 압력은 정말로 평형상태 일까 ? 초신성의 영향으로 부서진다. 고온의 항성에서 불어오는 강한 항성풍과 강한 복사장으로 부서진다. 성간운끼리 서로 충돌하여 크기가 커진다.  거대 성간 분자운으로 성장한다.  별의 탄생  별의 진화  초신성으로 폭발

우주 티끌 -(1) 우주 티끌 -(1) 우주 티끌의 관측 – 암흑 성운 가시광의 차단 – 적외선 관측 (T = K) – 반사 성운

우주 티끌 -(2) 우주 티끌 -(2) 반사 성운 – 작은 고체 입자는 빛을 흡수하고 산란한다 : 성간 소광 – 짧은 파장의 빛이 긴 파장의 빛보다 산란이 더 잘 된다. – 반사 성운은 푸르게 보인다. – 발광 성운과 반사 성운의 비교 성간 적색화 – 적외선 관측이 가시광선 관측보다 유리하다.

우주 티끌 -(3) 우주 티끌 -(3) 티끌의 크기 – 빛의 파장과의 관계로 추정한다. –D = 0.01 – 0.1  m 티끌의 형성 – 적색 거성에서 방출된 물질이 식으면서 응결. 우주 티끌의 구조 – 핵 규산염의 암석 물질, 흑연, 철성분 – 포피 물, 메탄, 암모니아 등의 얼음

독수리 성운

삼엽성운

암흑 구상체 B68

항성 생성 – M16

항성 생성률 R* 은하 중심을 도는 태양 => 은하질량 유도 운동에너지 = ½ 포탠셜 에너지 ½ m v 2 = ½ G (m g m)/R g m g = R g v 2 / G = 1.1* m (v=250 km/s, R g = 25,000 광년 )  태양 안쪽 질량 + 성간물질포함 ( 별의 5%)  m g = 1.6* m ( 태양 밖의 항성고려 ) 항성의 평균질량 :  0.4 m ( 질량 적은 항성이 더 많으므로 ) 우리은하의 나이 ~ 백억년  R* = 40 / 년 ( 5 ~ 50 / 년 ) 일찍 죽은 항성 배제, 초기은하에서 항성 생성율이 더 빨랐다. 항성 생 성은 폭발적 (burst) 으로 생성

요약 빅뱅 핵합성과 항성의 핵합성에 의해 생성된 원소들에서 우주에는 다양하고 복잡한 분자들과 먼지 알갱이가 만들어 진다. 즉 우주에서는 복잡한 분자로 화학적진화가 있다.. 성간 화학에도 탄소가 지배적이다 탄소를 기반으로 하는 분자가 갖는 유연성 = 시아노폴린스 - 긴사슬, PAHs- 고리  탄소 기반의 지구 생명체가 우주에도 ? 우주에서 단순 분자 => 복잡한 분자 과정은 초기 지구에서 의 화학적 진화의 실마리 분자는 쉽게 UV 빛으로 파괴되나 먼지 알갱이가 분자형성 과 유지에 중요한 역할을 한다.