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우주 이야기 1467 - 초기 우주에서도 큰 행성이 생성될 수 있다



 (This is a NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope image of NGC 346, a massive star cluster in the Small Magellanic Cloud, a dwarf galaxy that is one of the Milky Way’s nearest neighbors. With its relative lack of elements heavier than helium and hydrogen, the NGC 346 cluster serves as a nearby proxy for studying stellar environments with similar conditions in the early, distant universe. Ten small, yellow circles overlaid on the image indicate the positions of the ten stars surveyed Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, O. C. Jones (UK ATC), G. De Marchi (ESTEC), M. Meixner (USRA))

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(This graph shows, on the bottom left in yellow, a spectrum of one of the 10 target stars in this study (as well as accompanying light from the immediate background environment). Spectral fingerprints of hot atomic helium, cold molecular hydrogen, and hot atomic hydrogen are highlighted. On the top left in magenta is a spectrum slightly offset from the star that includes only light from the background environment. This second spectrum lacks a spectral line of cold molecular hydrogen. Credit: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI))

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(This side-by-side comparison shows a Hubble image of the massive star cluster NGC 346 (left) versus a Webb image of the same cluster (right). While the Hubble image shows more nebulosity, the Webb image pierces through those clouds to reveal more of the cluster’s structure. NGC 346 has a relative lack of elements heavier than helium and hydrogen, making it a good proxy for stellar environments in the early, distant universe. Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, O. C. Jones (UK ATC), G. De Marchi (ESTEC), M. Meixner (USRA), A. Nota (ESA))

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​과학적인 관점에서 우리 모두는 사실 별의 후손들이라고 할 수 있습니다. 빅뱅 직후 우주에는 수소와 헬륨 밖에 없었고 이보다 무거운 원소들은 별 중심에서 핵융합 반응을 통해 나중에 생성된 것이기 때문입니다. 특히 그 가운데서도 철처럼 무거운 원소들은 초신성 폭발을 통해 생성됐습니다.

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이런 사실 때문에 과학자들은 우주 초기에 무거운 원소가 부족한 시기에는 큰 행성이 생성될 수 없다고 여겨왔습니다. 하지만 허블 우주 망원경은 2003년 나이가 아주 많은 별 주변에서 목성보다 큰 외계 행성을 찾아냈습니다. 이는 과학자들에게 설명하기 힘든 미스터리였습니다.

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허블 우주 망원경보다 더 강력한 제임스 웹 우주 망원경이 발사된 후 과학자들은 이 질문에 대한 답을 찾기 위해 바로 이웃인 소 마젤란 은하에 있는 NGC 346를 관측했습니다.

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유럽 우주국 귀도 데 마치 (Guido De Marchi of ESA's European Space Research and Technology Center)가 이끄는 연구팀은 별이 생성되는 가스 성단인 NGC 346에서 행성이 생성되는 원시행성계 원반을 관측했습니다.

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NGC 346은 우주 초기의 성단은 아니지만, 무거운 원소가 적어 이런 곳에서 원시 행성계 원반이 얼마나 오래 존재하는지 확인할 수 있는 대안이 될 수 있습니다. 물론 다른 은하의 원시 행성계 원반을 관측하는 일은 매우 어렵지만, 연구팀은 제임스 웹 우주 망원경의 강력한 분해능으로 이를 관측하는데 성공했습니다.

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과학자들은 이렇게 무거운 원소가 적은 가스 성운에서는 원시 행성계 원반이 백만 년 이내로 곧 사라진다고 생각했습니다. 원시 행성계 원반이 곧 사라지면 행성이 많은 가스와 먼지를 모으지 못해 크게 성장하기 어렵습니다. 하지만 제임스 웹 우주 망원경은 2000-3000만 년 된 별 주변에서도 원시 행성계 원반을 포착했습니다. 무거운 원소가 적은 가스 성운에서도 큰 행성이 생길 만큼 충분한 시간적 여유가 있는 셈입니다.

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예상과 달리 이렇게 오래 원시 행성계 원반이 유지되는 이유는 아직 잘 모르지만, 무거운 원소가 부족한 별이 초기에 강한 항성풍을 만들지 못했거나 혹은 원시 행성계 원반의 물질 자체가 처음부터 많았던 것이 원인으로 해석될 수 있습니다.

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아마도 이런 행성들은 무거운 암석 성분은 적고 가스 성분 위주일 가능성이 높아 보입니다. 하지만 넓은 우주 어딘가에 100억 년 이상 된 지구형 암석 행성도 있을지 모릅니다. 여기서 외계 생명체가 탄생했다면 지금은 어떻게 진화했을지 상당히 궁금합니다.

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참고

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https://phys.org/news/2024-12-webb-planet-disks-longer-early.html

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Guido De Marchi et al, Protoplanetary Disks around Sun-like Stars Appear to Live Longer When the Metallicity is Low*, The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad7a63

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