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2015년 8월 21일 금요일

우주 이야기 368 - 거대 가스 행성 생성의 비밀은?



 목성이나 토성같은 거대 가스 행성이 생성되는 방식은 아직 완전히 규명되지 않았습니다. 한 가지 흥미로운 사실은 다른 초기 행성계 관측 결과 이런 거대 가스 행성이 불과 100만년에서 1,000만년 정도로 별의 나이를 고려하면 매우 빠른 시기에 형성된다는 것입니다. 반면, 현재의 이론에 의하면 지구가 생성되는 데 걸린 시간은 오히려 이보다 더 길어서 3,000만년 이상일 것이라는 추정이 있습니다.
 이는 언뜻보기에 명백한 모순으로 보입니다. 아무래도 작은 크기의 행성보다는 큰 크기의 행성이 생성되는데 많은 시간이 걸릴 것이기 때문이죠. 한 가지 확실한 점은 목성 정도 되는 큰 행성도 매우 초기에 생성될 수 있다는 점입니다. 이점은 적어도 관측을 통해서 입증이 되었다고 할 수 있습니다.
 이를 설명하기 위한 이론은 core accretion 모델이라는 것입니다. 이 이론에서는 우선 작은 행성 사이즈의 얼음과 암석이 핵을 형성하고 이 핵이 주변의 가스를 중력으로 끌어모아 빠른 속도로 수소와 헬륨을 주 원료로 하는 거대 가스 행성을 생성했다고 설명하고 있습니다. 하지만 이 이론이 맞다고해도 처음에 핵이 될 행성이 어떻게 그렇게 빨리 생기는지는 설명할 수 없습니다.  

 이 문제를 해결하기 위해서 캐나다 퀸즈 대학의 사우스웨스트 연구소(Southwest Research Institute (SwRI) and Queen's University in Canada)의 과학자들은 새로운 컴퓨터 시뮬레이션을 시행했습니다.
 이들은 다양한 조건의 시뮬레이션을 통해 작은 티끌 같은 입자들이 어떻게 목성같은 행성을 형성했는지 검토했습니다. 그 결과 가장 가능성 높은 시나리오는 수 cm에서 수 m 크기의 작은 얼음 및 먼지 입자들이 모은 조약돌(pebble) 같은 입자들이 빠른 속도로 뭉쳐서 100-1,000km 지름의 미행성(planetesimal) 형성하는 것이었습니다.

(형성되는 초기 행성계, 목성 같은 거대 행성들은 매우 초기에 형성되는 것으로 보입니다.  This artist’s concept of a young star system shows gas giants forming first, while the gas nebula is present. Southwest Research Institute scientists used computer simulations to nail down how Jupiter and Saturn evolved in our own solar system. These new calculations show that the cores of gas giants likely formed by gradually accumulating a population of planetary pebbles – icy objects about a foot in diameter. Credit: NASA/JPL-Caltech )
 일단 미행성이 형성되면 이들은 빠르게 합체된 후 행성 크기의 천체가 되어 주변의 가스를 빨아들이게 됩니다. 이 과정에서 물질을 흡수하기 때문에 몇 개의 거대 행성 이외에 나머지 천체들은 빠른 성장을 하지 못하거나 작은 크기로 남게 됩니다. 이는 우리 태양계는 물론 다른 태양계에서도 관측할 수 있는 형태입니다. 즉, 큰 녀석이 빨리 형성되고 나머지가 느리고 모여서 지구 같은 행성 만든다는 것이죠.  
 물론 이 시뮬레이션이 이전에 제시되었던 모델보다 더 정확한지는 아직 확실치 않습니다. 하지만 연구팀에 의하면 5-15AU 궤도 사이에 목성형 행성이 형성되는 부분이나 목성형 행성이 빠르게 형성되는 등 태양계의 모습을 쉽게 재현할 수 있다고 하네요.
 태양계와 다른 행성계 탄생에 대한 연구는 아직 한창 진행 중입니다. 어떤 이론이 가장 사실에 부합될지는 현재 관측 기술의 발달을 고려할 때 앞으로 수십 년 후에는 어느 정도 답이 나오지 않을까 조심스럽게 생각해 봅니다. 


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