우주 이야기 532 - 원시 행성계 원반의 생성 비밀

(The collapse of a rotating molecular cloud leads to the formation of a large rotationally supported disk if very small grains are removed (b). The strong magnetic braking in the presence of very small grains suppresses the formation of such a disk (a). Credit: © MPE)

(The plot on the left shows the density distribution in a collapsing gas cloud for the standard distribution of grain sizes. Even though there is a concentration towards the centre, the disk is not rotationally supported, i.e. not stable enough to form stars and planets. The plot on the right shows the same, but with the smallest grains removed. In this case, there angular momentum influx to the disk leading to a much larger, rotationally supported disk. Credit: © MPE)

 지구나 목성 같은 행성은 새롭게 태어나는 별 주변의 원시 행성계 원반에서 유래한 것으로 여겨져 왔습니다. 과거 이는 이론적인 추정이었으나 이제는 실제 관측을 통해서 그 존재가 증명되어 있습니다. 현재 연구는 과연 이런 원시 행성계 원반에서 어떻게 행성이 형성되는지에 맞춰져 있습니다. 

 중력에 의해서 작은 먼지 입자와 가스가 뭉쳐 행성이 된다고 설명하면 쉬울 것 같지만, 세상일이 다 그렇듯이 실제로는 그렇게 간단한 질문은 아닙니다. 모항성의 중력과 항성풍은 입자를 모이게만 하는 것이 아니라 방해할 수도 있기 때문입니다. 

 여기에 먼저 떠오르는 요소는 아니지만, 전하를 띤 입자들에 의해 발생되는 원시 행성계 원반의 자기장 역시 소행성이나 행성의 형성을 촉진하거나 방해하는 요소로 작용할 수 있습니다. 막스 플랑크 외계 물리학 연구소 (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics)와 그외 기관의 과학자들은 원시 행성계 원반의 자기장과 입자가 어떻게 상호 작용하는지를 연구했습니다.

 이들에 의하면 여기에 큰 영향을 주는 것은 입자의 크기입니다. 전하를 지닌 입자는 그자체로 자기장을 만들어 디스크의 형태에 영향을 미치기 때문입니다. 시뮬레이션 결과에 의하면 전하를 지닌 나노미터 크기의 입자가 많을 수록 주변의 가스와 입자를 끌어들이기 힘들어 큰 크기의 디스크는 형성되기 힘든 것으로 보입니다. 반면 0.1mm 사이즈 이상의 비교적 큰 입자가 많으면 우리가 관측하는 큰 고리가 형성되기 용이한 것으로 나타났습니다.  

 입자의 크기 같은 요소는 생성되는 행성과 소행성의 크기와 종류를 결정하는 중요한 요소 가운데 하나일 것입니다. 생성되는 가스 성운의 구성에 따라 작은 먼지 입자가 많을 수도 있고 적을 수도 있으며 그 원자 구성도 다를 수 있기 때문이죠. 이런 입자의 구성은 원시 행성계 원반 자기장에도 영향을 미쳐 큰 행성을 만들기도 하고 작은 소행성만 존재하는 행성계를 만들지도 모릅니다. 

 아직은 모르는 것이 더 많지만, 아마도 이런 다양한 요소들이 복잡하고 다양한 형태의 행성계를 만드는데 기여할 것이라는 점은 예상할 수 있습니다. 앞으로 실제 관측과 이론적인 연구를 통해서 그 비밀을 하나씩 밝혀나가야 할 것입니다. 

 참고 

 Bo Zhao, Paola Caselli, Zhi-Yun Li, Ruben Krasnopolsky, Hsien Shang, Fumitaka Nakamura, Protostellar Disk Formation Enabled by Removal of Small Dust Grains, accepted for publication MNRAS, arxiv.org/abs/1602.02729 

 http://phys.org/news/2016-07-scenes-protostellar-disk-formation.html#jCp