우주 이야기 490 - 독특한 4행성 시스템을 지닌 케플러 - 223

(This animation illustrates the Kepler-223 planetary system, which has long-term stability because its four planets interact gravitationally to keep the beat of a carefully choreographed dance as they orbit their host star. For example, each time the innermost planet (Kepler-223b) orbits the system's star 3 times, the second-closest planet (Kepler-223c) orbits precisely 4 times, and these two planets return to the same positions relative to each other and their host star. The orbital periods of the four planets of the Kepler-233 system have ratios of exactly 3 to 4, 4 to 6, and 6 to 8. The ratio of these orbits is so precise that they provide a stabilizing influence for the planetary system. Credit: W. Rebel Note to reporters: A license is granted for free worldwide public-domain use.)

 외계 행성을 관측한 과학자들은 이 행성들의 공전 궤도가 태양계와는 많이 다르다는 사실을 깨달았습니다. 상당수의 행성들이 모항성에 매우 가까운 위치에서 공전하고 있었던 것입니다. 

 물론 이는 현재 기술 수준에서 주로 발견할 수 있는 행성이 별에서 가까운 행성이기 때문인 것도 있습니다. 그러나 동시에 항성에서 매우 가까운 위치에 행성들이 존재하는 것도 사실입니다. 대체 어떻게 이런 현상이 일어난 것일까요? 

 시카고 대학의 션 밀스 (Sean Mills)와 그의 동료들은 케플러 우주 망원경이 발견한 매우 독특한 행성계인 케플러 233 (Kepler - 223)의 행성 시스템을 연구했습니다. 이 행성들은 매우 가까운 위치에서 7일에서 19일 정도 주기로 별 주위를 공전하는 작은 해왕성 (sub-Neptune) 들입니다. 

 해왕성보다 약간 작은 미니 가스 행성은 태양계에는 존재하지 않지만, 우주에는 매우 흔한 형태의 외계 행성입니다. 

 케플러 223 행성계에는 이런 미니 해왕성 4개가 존재하는데, 연구팀은 수성 궤도보다 안쪽에서 이들이 어떻게 장기간 안정된 궤도를 유지하는지를 밝혀냈습니다. 그 비결은 첫 번째 행성과 두 번째 행성과 4:3 궤도 공명 (4:3 orbital resonance)을 하고 다시 두 번째와 세 번째 행성이 2:3 궤도 공명을 하며 마지막 3/4 번재 행성은 다시 4:3 궤도 공명을 해서 서로의 위치를 잡아주고 있다는 것입니다. 

 (첫 번째 행성이 4번 공전할 때 두 번째 행성은 3번 공전하고, 두 번째 행성이 두 번 공전할 때 세번째 행성은 3번 공전하며 3번째 행성이 4번 공전할 때 4번째 행성이 3번 공전하는 주기)  

(시뮬레이션 영상) 

 이런 식으로 서로 중력으로 이끌러 위치가 고정된 덕분에 이들 행성은 본래 생성되었던 위치에서 벗어나 현재 위치로 온 것으로 추정됩니다. 태양계에서 궤도 공명은 목성의 위성에서 볼 수 있는데, 이오, 유로파, 가니메데가 4:2:1 궤도 공명을 하고 있습니다. 다시 말해 가니메데가 1번 공전할 때 유로파는 2번, 이오는 4번 공전을 하게 됩니다. 

 하지만 케플러 - 223의 궤도 공명은 정말 독특한 것으로써 우주의 행성계가 우리의 상상보다 훨씬 다양하고 복잡하다는 것을 말해주고 있습니다. 

 역시 우주는 인간의 상상을 뛰어넘는 영역인 것 같습니다.   

 참고 

Sean M. Mills et al, A resonant chain of four transiting, sub-Neptune planets, Nature (2016). DOI: 10.1038/nature17445 

 http://phys.org/news/2016-05-exoplanets-complex-orbital-planetary-migration.html#jCp