(Core accretion: A 10 Jupiter-mass planet is formed and is placed at 50 AU from the star. The planet has opened a gap in the circumstellar disk. Credit: J. Szulagyi, JUPITER code)
태양계의 행성은 지구 같은 암석형 행성과 목성 같은 거대 가스 행성으로 구분될 수 있습니다. 외계 행성 관측 결과는 우주에 이보다 더 다양한 조합이 있다는 것을 보여주고 있지만, 그래도 크게는 이 두 가지 형태로 나눌 수 있음은 분명합니다. 과학자들은 목성형 거대 가스 행성이 어떻게 형성되는지에 큰 관심을 가지고 있습니다.
목성형 가스 행성의 생성과정을 설명하는데는 크게 두 가지 이론이 존재합니다. 하향식(Top down) 방식은 원시 행성계 원반의 가스가 밀도가 높아지면서 스스로 중력에 의해 뭉쳐서 가스와 먼지를 흡수하면서 행성이 생성되었다고 설명합니다. 이 과정에서는 암석의 핵은 행성 형성 초기에 밀도가 높은 물질이 아래로 내려가면서 형성됩니다.
상향식 (Bottom-up) 방식은 반대로 암석의 핵이 먼저 형성된 다음 그 중력에 의해 주변의 가스를 끌어당겨 행성이 형성되었다고 설명합니다. 이 경우 핵이 먼저 형성되고 가스는 나중에 흡수한 것입니다. 문제는 어느 쪽이 옳은지 관측으로 증명하기 어렵다는 것입니다. 이 과정은 천문학적으로는 짧지만 인간의 인생과는 비교할 수 없을 만큼 긴 시간 동안 발생합니다. 그리고 동시에 직접 관측이 매우 어려울 만큼 작습니다.
스위스 취리히 연방 공과대학의 연구팀은 유럽에서 가장 강력한 슈퍼컴퓨터인 스위스 국립 슈퍼컴퓨터 센터 Swiss National Supercomputing Centre (CSCS)의 슈퍼컴퓨터를 이용해서 장시간에 걸처 목성형 행성 생성 시나리오를 시뮬레이션을 통해 검증했습니다.
(동영상)
(Gravitational instability simulation: Two snapshots in the early and late stage of the simulation at 780 years and 1942 years. The second snapshot shows only 4 clumps remaining among those initially formed. Credit: Lucio Mayer & T. Quinn, ChaNGa code)
이 작업은 수백개에서 수천개의 CPU와 GPU를 동원해서 무려 9개월이나 진행이 되었다고 합니다. 그 결과 디스크에서 바로 가스가 뭉치는 첫 번째 시나리오에서는 가스의 온도가 50K (켈빈) 정도이고 두 번째 시나리오의 경우에는 수백K 수준으로 나타났습니다. 가스 디스크의 온도는 현재 망원경으로도 관측이 가능한데, 아무래도 두 번째 시나리오에 가까워 보인다고 합니다.
물론 앞으로 연구가 더 필요하겠지만, 이 연구는 암석의 핵이 먼저 형성되고 그 이후 가스가 모인다는 가설을 지지하고 있습니다. 더 흥미로운 부분은 슈퍼컴퓨터를 사용해서 이렇게 오래 시뮬레이션을 했다는 점입니다. 이런 연구를 안해봐서 모르겠지만, 정말 놀랍다는 생각이 드네요.
참고
J. Szulágyi et al. Thermodynamics of Giant Planet Formation: Shocking Hot Surfaces on Circumplanetary Disks, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters (2016). DOI: 10.1093/mnrasl/slw212
J. Szulágyi et al. Circumplanetary disks around young giant planets: a comparison between core-accretion and disk instability, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2016). DOI: 10.1093/mnras/stw2617
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