[논문]12CO 분자선 관측 자료를 이용한 오리온 분자운 복합체내 북쪽 필라멘트의 운동학 연구

조훈; 손정주; 김신영; 이지원; 김성수

doi:10.5467/jkess.2018.39.6.519

12CO 분자선 관측 자료를 이용한 오리온 분자운 복합체내 북쪽 필라멘트의 운동학 연구
Kinematics of the Northern Filament in Orion Molecular Clouds Complex Using 12CO Molecular Observation Data 원문보기

한국지구과학회지 = Journal of the Korean Earth Science Society, v.39 no.6, 2018년, pp.519 - 532

조훈 (한국교원대학교 지구과학교육과) , 손정주 (한국교원대학교 지구과학교육과) , 김신영 (한국천문연구원) , 이지원 (한국천문연구원) , 김성수 (경희대학교 우주과학과)

초록
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우리는 오리온 분자운 복합체의 북부 필라멘트(이하 NF)에 대하여 $^{12}CO$ (J=1-0) 분자선의 자료를 이용하여 은하 평면이 분자의 운동과 운동학에 미치는 영향을 연구하였다. 6 m 서울대학교 전파망원경(Seoul Radio Astronomy Observatory, SRAO)을 이용하여 2arcmin 공간분해능으로 은하면으로부터 먼 순서로 NF1, NF2, NF3 세 곳을 총 270시간 동안 관측된 자료를 사용하였다. 은하면과 OMC NF는 $^{12}CO$ (J=2-1) 경우 3% 밀도에서, 티끌의 경우 9% 밝기 수준에서 자기장을 따라 서로 연결되어 있었다. $^{12}CO$ (J=1-0), $^{12}CO$ (J=2-1), 성간 티끌 관측결과를 비교해본 결과, 세 경우 모두 NF3에서는 고루 분포했지만, NF1과 NF2에서는 비교적 밀도가 높은 특정 영역에서만 함께 나타났다. NF는 단일 구조를 보였으며, NF1에서는 부분 수축 운동을, NF2에서는 하단에서 회전 운동이 나타났고, NF3에서는 유일하게 명확히 자기장에 연관된 나선형 회전이 보였다. 위치-속도 분석 결과, $^{12}CO$ (J=1-0)를 비롯한 물질들은 NF2와 NF3을 따라 은하면을 향하여 흐를 가능성이 있음을 확인할 수 있었다. 은하면을 향하여 물질이 흐르는 명백한 원인을 이번 연구결과에서 볼 수 없었지만 추후의 더 정교한 관측결과가 NF1과 NF2 상단부의 회전 운동을 확인 할 수 있겠다.

Abstract ▼ AI-Helper

We investigated the effect of galactic plane toward molecular motion and kinematics in the northern filament (NF) of Orion Molecular Clouds Complex (OMC) using $^{12}CO$ (J=1-0) line. Observed data were from three areas including NF1, NF2, and NF3 in far-out order from galactic plane, for a total 270 hours by Seoul National University Radio Astronomy Observatory (SRAO) 6m telescope, with 2arcmin spatial resolution. galactic plane and OMC NF were connected to each other along the magnetic field at a density of 3% for $^{12}CO$ (J=2-1) and 9% for the case of dust. $^{12}CO$ (J=1-0), $^{12}CO$ (J=2-1), and interstellar dusts were distributed uniformly in NF3, but only in certain regions with relatively high density in NF1 and NF2. NF showed a single structure, partial shrinking motion in NF1, and rotational motion at the bottom of NF2, and spiral rotation associated with magnetic field only in NF3. The position-velocity analysis showed that the materials including $^{12}CO$ (J=1-0) could flow toward galactic plane along NF2 and NF3. However, there was no clear cause for the material to flow toward galactic plane in this result. Further detailed observation for rotational motion at the top of NF1 and NF2 might help to confirm it.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 NF에 대한 높은 분해능을 얻고자 6 m 구경의 밀리미터 파장대역의 서울대학교 전파 망원경을 이용하여 NF만을 중심으로 총 270시간 동안 관측된 자료를 이용하였으며, 정밀한 분석을 통해 선행연구들의 예상을 규명하고 OMC NF에 대한 보다 정밀한 운동학적 이해에 연구의 필요성을 두었다.
관측한 자료를 이용하여 NF가 은하면 및 주변과 어떤 상호작용을 하고 있는지를 운동학적으로 분석하기 위한 연구 문제는 다음과 같다. 첫째, 주변 천체와 은하면에 대해 NF는 무엇을 따라 어떤 관계를 갖는지, 둘째, NF의 밀도 분포 및 각종 속도 특성을 고려하여 NF는 은하면에 대해 어떻게 운동을 하고 있는지를 확인하고자 한다.

제안 방법

본 연구는 NF를 정밀 관측한 Lee (2007)의 관측 자료를 사용하였으며 자세한 관측 정보는 Table 2와 같다. NF에 대한 ¹²CO (J=1-0)관측은 SRAO (Seoul Radio Astronomy Observatory)의 6 m 전파망원경을 이용하였으며, 한정된 시간에 비해 적경이 6^h04^m-6^h12^m 정도로 길이 규모가 큰 천체이어서 Fig. 2와 같이 NF1, NF2, NF3로 나누어 관측되었다. 관측 시간은 2006년 1월 말부터 5월 초순까지 중 40일간 하루 7시간씩 총 약 280시간 관측이 수행되었다.
OMC의 영역에 대한 SRAO의 6 m 전파망원경을 이용한 ¹²CO (J=1-0) 스펙트럼 관측 자료를 분석하여 NF가 은하면 및 주변 천체와 어떻게 영향을 받고 있는지, NF의 밀도 분포는 어떠하며 플랑크의 관측 자료와 비교하면 어떠한지, 그리고 NF는 은하면에 대해 어떻게 운동을 하는지를 분석하였으며, 이에 따라 NF가 은하면과 주위 천체에 대해 어떤 상호작용을 하고 있는지에 대한 결론과 제언은 다음과 같다.
SRAO의 ¹²CO (J=1-0) 적분강도, 플랑크 관측 자료의 ¹²CO (J=2-1) 적분강도 및 열 방출선 표면 밝기(857 GHz) 비교 분석: 특징이 서로 다른 물질을 통해 NF의 분포 양상을 구체적으로 이해하고자 SRAO의 ¹²CO (J=1-0) 적분강도를 통해 NF의 밀도분포를 확인하고, 이것을 플랑크 관측 자료의 ¹²CO(J=2-1) 적분강도와 857 GHz에서 성간 티끌의 열 방출선 표면 밝기와 서로 비교하였다(Fig. 6, 7, 8). 이때 플랑크 관측 자료는 30 arcsec 공간분해능을 가진다.
2와 같이 NF1, NF2, NF3로 나누어 관측되었다. 관측 시간은 2006년 1월 말부터 5월 초순까지 중 40일간 하루 7시간씩 총 약 280시간 관측이 수행되었다. 관측 방법은 위치 전환 방법(Position Switching)이 사용되었으며 중심 좌표(J2000)는 NF1은 5^h53^m 40^s, 5^o 40'00''를 중심으로 20'×19' 영역에서, NF2는 6^h03^m00^s,4^o05'00''를 중심으로 21'×37' 영역에서, NF3는 6^h10^m20^s, 3^o30' 00''를 중심으로 20'×30' 영역에서 하였다.
자료 분석에 적합한 스펙트럼을 선별하기 위해 S/N비를 2로 하였다. 또한 기기적인 2 arcmin의 공간 분해능 값을 높이고자 수치적으로 python의 리비닝 (rebinning) 함수를 이용하여 내삽의 방법으로 픽셀 수를 4배로 늘였다. 그 다음으로 이것을 30 arcsec 간격으로 재격자화(regridding)하였으며 이중선형보간 기법(bilinear method)과 평활화(smoothing)를 적용하였다.
스펙트럼 속도 범위는 신호가 나타나는 구간을 고려하여 NF1, NF2, NF3에서 각각 4-16, 6-16, 3-15 k ms−1로 하였다.
위치-속도 분석: 속도-채널 분석에서 제시한 은하면에 평행한 방향(A1B1, A3B3)인 점선과 수직인 방향(A2B2, A4B4)인 점선에 따라 NF 각 지역의 위치별 속도를 분석했다(Fig. 12). 여기서 컬러스케일과 등치선은 밝기 온도(T_A*(K))(NF1: −0.
이중에서 NF1 지역은 뚜렷한 변화가 보이는 1.73, 0.97, 0.21,−1.19, −1.82 k ms−1 채널만을(Fig. 10), NF2 지역은 2.38, 1.49, 0.98, 0.35, −0.80, −2.07 k ms−1 채널만을 (Fig. 11), 2.88, 2.37, 1.48, 0.85, −0.55, −1.32, −2.46k ms−1 채널만을(Fig. 12) 선별해 분석했다.
자료 분석에 적합한 스펙트럼을 선별하기 위해 S/N비를 2로 하였다. 또한 기기적인 2 arcmin의 공간 분해능 값을 높이고자 수치적으로 python의 리비닝 (rebinning) 함수를 이용하여 내삽의 방법으로 픽셀 수를 4배로 늘였다.
여기서 이미지 색상이 푸른색일수록 성간 티끌의 밀도가 낮고 검붉은색일수록 밀도가 높다. 적경과 적위 좌표는 동일 지역의 플랑크 아카이브 ¹²CO (J=2-1) 지도를 바탕으로 기록하였다. 파란색 원으로 표시된 NF와 자기장 방향과의 관계를 살펴보면 자기장은 규칙적으로 나타나고 거의 평행선으로 구성되며 NF와 서로 수직을 이루고 있다.
1 K으로 하였다. 전처리 작업 및 베이스 피팅은 Gildas 패키지 내 CLASS로 하였는데, 베이스 피팅의 경우 1차가 기본적이지만 경우에 따라 2차 또는 3차 베이스 피팅을 하였다. 스펙트럼 속도 범위는 신호가 나타나는 구간을 고려하여 NF1, NF2, NF3에서 각각 4-16, 6-16, 3-15 k ms⁻¹로 하였다.
플랑크 관측 자료를 통한 NF와 주변 천체와의 관계: NF와 주변 천체의 관계를 알아보고자 10o ×10o 수준의 영역을 가진 12CO (J=2-1)의 적분강도 지도와 357 GHz에 찍은 성간 티끌의 열 방출선 표면 밝기 지도를 살펴보았다(Fig. 5).
271 GHz이다. 한 스펙트럼 당 적분시간을 200초로 하되 100초 씩 두 번 관측하여 평균하였으며 rms 잡음 수준은 0.1 K으로 하였다. 전처리 작업 및 베이스 피팅은 Gildas 패키지 내 CLASS로 하였는데, 베이스 피팅의 경우 1차가 기본적이지만 경우에 따라 2차 또는 3차 베이스 피팅을 하였다.

대상 데이터

관측 방법은 위치 전환 방법(Position Switching)이 사용되었으며 중심 좌표(J2000)는 NF1은 5h53m 40s, 5o 40'00''를 중심으로 20'×19' 영역에서, NF2는 6h03m00s,4o05'00''를 중심으로 21'×37' 영역에서, NF3는 6h10m20s, 3o30' 00''를 중심으로 20'×30' 영역에서 하였다.
관측 방법은 위치 전환 방법(Position Switching)이 사용되었으며 중심 좌표(J2000)는 NF1은 5^h53^m 40^s, 5^o 40'00''를 중심으로 20'×19' 영역에서, NF2는 6^h03^m00^s,4^o05'00''를 중심으로 21'×37' 영역에서, NF3는 6^h10^m20^s, 3^o30' 00''를 중심으로 20'×30' 영역에서 하였다. 관측된 총 스펙트럼은 1,170개로 NF1은 380개, NF2는 777개, NF3는 400개이며, NF 각 지역에 대한 대표적인 스펙트럼은 Fig. 3과 같다. 채널별 속도 분해능은 0.
이때 모멘트와 위치-속도 분석은 각각 python의 moment 함수와 extract_pv_slice 함수를, 속도-채널 분석은 NRAO (National Radio Astronomy Observation)의 CASA를 사용하였다. 그밖에 우리 은하의 자기장 및 성간 티끌 분포 자료, ¹²CO (J=2-1) 적분강도 자료는 플랑크(Planck)의 아카이브 자료를 이용했다.
본 연구는 NF를 정밀 관측한 Lee (2007)의 관측 자료를 사용하였으며 자세한 관측 정보는 Table 2와 같다. NF에 대한 ¹²CO (J=1-0)관측은 SRAO (Seoul Radio Astronomy Observatory)의 6 m 전파망원경을 이용하였으며, 한정된 시간에 비해 적경이 6^h04^m-6^h12^m 정도로 길이 규모가 큰 천체이어서 Fig.

데이터처리

자료 분석은 적분강도(integrated intensity)를 위한 모멘트(moment) 0차 분석, 강도가중평균속도를 위한 모멘트 1차 분석, 속도-채널 분석(Velocity-Channel analysis), 위치-속도 분석(Position-Velocity analysis)을 실시했다. 이때 모멘트와 위치-속도 분석은 각각 python의 moment 함수와 extract_pv_slice 함수를, 속도-채널 분석은 NRAO (National Radio Astronomy Observation)의 CASA를 사용하였다.

이론/모형

또한 기기적인 2 arcmin의 공간 분해능 값을 높이고자 수치적으로 python의 리비닝 (rebinning) 함수를 이용하여 내삽의 방법으로 픽셀 수를 4배로 늘였다. 그 다음으로 이것을 30 arcsec 간격으로 재격자화(regridding)하였으며 이중선형보간 기법(bilinear method)과 평활화(smoothing)를 적용하였다.
자료 분석은 적분강도(integrated intensity)를 위한 모멘트(moment) 0차 분석, 강도가중평균속도를 위한 모멘트 1차 분석, 속도-채널 분석(Velocity-Channel analysis), 위치-속도 분석(Position-Velocity analysis)을 실시했다. 이때 모멘트와 위치-속도 분석은 각각 python의 moment 함수와 extract_pv_slice 함수를, 속도-채널 분석은 NRAO (National Radio Astronomy Observation)의 CASA를 사용하였다. 그밖에 우리 은하의 자기장 및 성간 티끌 분포 자료, ¹²CO (J=2-1) 적분강도 자료는 플랑크(Planck)의 아카이브 자료를 이용했다.

성능/효과

12CO (J=1-0)에 대한 강도가중평균속도(Intensity Weighted Mean Velocity)를 살펴본 결과에서는 6h20m , −10o 30' 위치에서는 8 k ms−1이었지만, 점차 속도 구배(velocity gradient)가 변해 6h52m , −11o 30'위치에서는 18 k ms−1까지 나타났다.
그 결과 첫 번째로 NF 각 지역은 각각 주어진 채널 속도 범주를 갖고 있지만, 이들 모두 −3.09-2.88 k ms−1라는 좁은 속도 범주 안에서만 CO분자운들이 존재한다.
넷째, NF는 은하면 방향으로 물질을 가속시키는 역할을 하고 있을 것이라는 Maddalena et al. (1986)의 예상을 이번 관측을 통해 실제로 확인할 수 있었다. 위치-속도 분석을 한 결과 NF2의 하단과 상단에서 은하면에 수직인 방향과 NF3의 은하면에 평행한 방향 및 수직인 방향에서 ¹²CO의 속도 구배가 나타났다.
다섯째, OMC 내 천체들은 운동학적 특성을 서로 공유하고 있을 것으로 보였다. OMC 내 NF가 은하면과 오리온 B를 연결하고 있으며 NF 내 일부 지역에서 은하면 방향으로 물질이 운동할 것이라는 본 연구 성과를 고려한다면, 결국 OMC는 서로 독립적인 천체가 아니라 물리적 특성이 상호작용하고 있는 분자운 복합체로 추정된다.
5 k ms⁻¹ 이내에서 같은 시선속도를 띄어 단일 분자운임을 확인한 연구 결과를 참고 해 볼 때, NF는 단일 분자운임을 확증한다. 두 번째로, NF3 지역에서는 빨간 선을 중심으로 속도가 양의 값일 때는 윗부분에서 분자운들이, 속도가 음의 값일 때는 아랫부분에서 분자운들이 나타나 은하면에 수직인 성분에 가까운 나선형 회전을 하고 있다. 이와 같은 결과는 이곳의 필라멘트 분자운은 자기장을 따라 존재하고 있음을 암시한다(Hanawa et al.
둘째, NF의 구체적인 분포 양상과 구조적 특징을 확인 할 수 있었다. ¹²CO (J=1-0), ¹²CO (J=2-1), 성간 티끌을 이용하여 이들의 분포 양상을 살펴본 결과, NF3에서는 밀도 양에 상관없이 이들은 은하면에 수직으로 함께 분포해 있었지만 NF1과 NF2에서는 비교적 밀도가 높은 특정한 부분에서만 세 물질이 함께 존재했다.
분석 결과 12CO (J=2-1)은 최대 밝기 온도 값이 21.33 K k ms−1인 영역에 비해 3% 밀도 일 때(흰선), 성간 티끌은 최대 밝기 값이 180.09 MJy sr−1인 영역에 비해 9% 수준일 때(흰 선) 은하면과 NF를 거쳐 오리온 B 까지 서로 이어진 형태로 존재하고 있다.
분석 결과 NF2 지역의 하단과 상단의 은하면에 수직인 방향(Fig. 13d, 13f)과 NF3 지역의 은하면에 평행한 방향(Fig. 13g)과 수직인 방향(Fig. 13h)에서 속도 구배를 통한 가속화가 나타났으며, NF1 지역(Fig. 13a, 13b)과 NF2 지역 하단과 상단의 은하면과 평행한 방향(Fig. 13c, 13e)에서는 속도 구배가 나타나지 않았다. 이런 일부 지역에만 존재하는 속도 구배들은 Maddalena et al.
속도-채널 분석: NF 각 지역에서 CO 분자들이 갖는 속도 범위를 0.21 k ms−1 간격의 채널별로 분석한 Fig. 10, 11, 12에서 컬러스케일과 등치선은 앞선 분석과 동일한 밝기 온도(TA*(K))(NF1: −1.65-12.66K, NF2: −1.03-6.32K, NF3: −0.86-4.76K)이고(Table 5), 이때 등치선은 밝기 온도의 최댓값의 20% 간격으로 20-80%이다.
(1986)의 예상을 이번 관측을 통해 실제로 확인할 수 있었다. 위치-속도 분석을 한 결과 NF2의 하단과 상단에서 은하면에 수직인 방향과 NF3의 은하면에 평행한 방향 및 수직인 방향에서 ¹²CO의 속도 구배가 나타났다. 이를 토대로 우리는 ¹²CO는 NF2의 상단 지역에서 은하면에 수직한 방향으로 유입되어 NF3에서 은하면에 수직인 방향과 평행한 방향의 사이로 흘러, 결국 은하면으로 물질이 움직일 가능성을 확인했다.
위치-속도 분석을 한 결과 NF2의 하단과 상단에서 은하면에 수직인 방향과 NF3의 은하면에 평행한 방향 및 수직인 방향에서 ¹²CO의 속도 구배가 나타났다. 이를 토대로 우리는 ¹²CO는 NF2의 상단 지역에서 은하면에 수직한 방향으로 유입되어 NF3에서 은하면에 수직인 방향과 평행한 방향의 사이로 흘러, 결국 은하면으로 물질이 움직일 가능성을 확인했다. 이때 은하면을 향하여 물질이 가속하는 이유는 은하면에서 발생한 중력 당김 효과 때문일 것으로 보인다(Maddalena et al.
이와 더불어 속도-채널 분석과 위치-속도 분석을 한 결과, Lee (2007)이 보고한 것과 동일하게 NF 세 지역에서 12CO (J=1-0)는 −3.74-3.12 k ms−1 범위에서만 움직여 NF는 단일 분자운 구조임을 확인했다.
(1980)이 필라멘트 내 물질의 흐름과 운동은 자기장 튜브와 관련이 있다는 예상을 뒷받침할 만한 증거를 일부 확인할 수 있었다. 적분 강도에 강도가중평균속도를 중첩한 분석, 속도-채널 분석, 그리고 위치-속도 분석을 한 결과, NF3에서만이 명확하게 나선형 회전 운동을 하고 있었다. 이때 NF3가 나선형 움직임을 보이는 이유는 이곳을 관통하는 자기장의 영향 때문이다(Hanawa et al.
적분강도와 강도가중평균속도를 중첩한 분석: NF 각 지역의 적분강도와 강도가중평균속도를 중첩한 Fig. 9에서 컬러 스케일은 강도가중평균속도로, 이것은 LSR에서 각 지역 12CO (J=1-0) 분자(이하 CO)의 본래 강도가중평균속도(NF1: 8.12-11.57 k ms−1, NF2:9.41-12.19 k ms−1, NF3: 6.62-12.29 k ms−1)와 지역별 강도가중평균속도의 평균값인 시스템 속도(NF1:9.62 k ms−1, NF2: 10.88 k ms−1, NF3: 9.74 k ms−1)를 뺀 상대적인 값이며 청색편이와 적색편이로 나타냈다(Table 4).
첫째, Morris et al. (1980), Maddalena et al. (1986), Wilson et al. (2005)의 선행연구에서 관측의 한계로 인해 정확히 확인하지 못했던, NF가 은하면과 오리온 B가 어떤 모습으로 연계되어 있는지 형태학적 특성을 규명할 수 있었다. 구체적으로 ¹²CO (J=2-1)은 최대 밝기 온도 값이 21.

후속연구

여섯째, 본 연구에서도 은하면에서 중력 당김 효과를 일으키는 존재가 무엇인지 밝히지 못했다. NF2 일부 지역과 NF3의 운동만을 토대로 NF의 전체적인 운동을 설명하기에는 관측 지역이 협소하며, NF1과 NF2에서 명확하게 회전 운동을 분해해서 보지 못한 점에서, NF 내 여러 지역들을 보다 높은 분해능으로 관측하는 추가적인 연구가 필요하겠다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	NF가 은하면과 오리온 B가 어떤 모습으로 연계하고 있나요?	(2005)의 선행연구에서 관측의 한계로 인해 정확히 확인하지 못했던, NF가 은하면과 오리온 B가 어떤 모습으로 연계되어 있는지 형태학적 특성을 규명할 수 있었다. 구체적으로 12CO (J=2-1)은 최대 밝기 온도 값이 21.33 K k ms−1인 영역에 비해 3% 밀도 일 때, 성간 티끌은 최대 밝기 값이 180.09 MJy sr−1인 영역에 비해 9% 수준으로 서로를 잇고 있었다.
	오리온 분자운 복합체는 어떻게 구성되나요?	오리온과 모노세로스 별자리에 걸쳐있는 오리온 분자운 복합체(Orion Molecular clouds Complex, OMC)는 오리온 성운을 기준으로 약 450 pc 거리에 있는 천체로 오리온 A, 오리온 B, Mon R2, 그리고 남쪽, 북쪽에 위치한 필라멘트(Southern Filament and Northern Filament)로 구성된다(Fig. 1).
	NF 영역의 특이성을 확인한 연구가 부족한 이유는?	NF 영역은 OMC의 다른 곳과는 차이를 보이는 성질을 가졌음에도 큰 규모로 인한 관측의 부담으로 그 특이성을 확인한 연구가 부족했다. Morris et al.

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Palla, F. and Stahler, S.W., 1999, Star formation in the Orion nebula cluster. The Astrophysical Journal, 525(2), 772.

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Wilson, B.A., Dame, T.M., Masheder, M.R.W., and Thaddeus, P., 2005, A uniform CO survey of the molecular clouds in Orion and Monoceros. Astronomy & Astrophysics, 430(2), 523-539.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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