(This ARKS gallery of faint debris disks reveals details about their shape: belts with multiple rings, wide smooth halos, sharp edges, and unexpected arcs and clumps, which hint at the presence of planets shaping these disks; chemical make-up: the amber colors highlight the location and abundance of the dust in the 24 disks surveyed, while the blue highlights their carbon monoxide gas location and abundance in the six gas-rich disks. Credit: Sebastián Marino, Sorcha Mac Manamon, and the ARKS collaboration)
지구를 비롯한 태양계의 행성, 소행성들은 46억 년 전 원시 태양 주위에 있던 가스와 먼지의 고리인 원시 행성계 원반 (protoplanetary disk)에서 생성됐습니다. 과학자들은 원시별 주변에서 생성된 원시 행성계 원반과 새롭게 생성 중인 행성들을 관측해서 그 과정을 어느 정도 규명했습니다. 하지만 아직도 많은 부분이 베일에 가려 있는 것이 사실입니다. 특히 초기 단계에서 행성과 카이퍼 벨트 같은 고리 구조가 어떻게 진화하는지는 아직 알려진 것이 적습니다.
영국 엑세터 대학의 세바스티앙 마리노 (Sebastián Marino, program lead for ARKS, and an Associate Professor at the University of Exeter, UK)가 이끄는 유럽과 미국의 ALMA survey to Resolve exoKuiper belt Substructures (ARKS) 연구팀은 ALMA를 이용해 초기 원시 행성계 원반과 완성된 행성계의 중간 단계에 있는, 사람으로 치면 10대 청소년기에 해당하는 행성계 24개를 ALMA로 상세히 관측했습니다.
이 행성계는 원시 행성계 원반이 어느 정도 행성과 소행성으로 정리되고 남은 잔해 원반 (debris disc)들로 ALMA의 강력한 서브밀리미터, 밀리미터 파장 관측 능력을 통해 그 구조를 자세히 분석할 수 있었습니다. 사실 잔해 원반은 가스와 먼지가 별로 남지 않은 잔해에 불과해 다른 망원경으로는 상세한 분석이 어려웠는데, ALMA의 관측 능력 덕분에 지금까지 알려지지 않았던 중간 단계를 확인할 수 있게 됐습니다.
관측 결과 ARKS는 잔해원반이 생각보다 훨씬 복잡하고 역동적임을 보여줬습니다. 관측한 잔해 원반의 1/3 이상의 원반에서 뚜렷한 구조(다중 고리, 간극 등)가 발견됐는데, 이는 과거 행성 형성의 흔적 또는 현재 존재하는 행성의 중력 영향을 시사하는 결과입니다.
연구팀은 ARKS가 발견한 비대칭성·아크 구조가 보이지 않는 행성의 중력, 과거 충돌, 행성 이동의 흔적일 가능성이 높다고 보고 있습니다. (사진) 다시 말해 이미 생성된 행성의 경우라도 서로 충돌을 통해 새로운 파편을 생성하거나 생성된 행성과 미세행성에 대규모 소행성 충돌이 일어나는 역동적인 구조라는 것입니다.
태양계의 경우 카이퍼 벨트가 바로 이 단계의 잔해를 보존하고 있는 것으로 여겨집니다. 이는 지금 ARKS에서 포착한 이미지들이 태양계 초기에도 비슷하게 발생했다는 점을 시사합니다. 사실 지구와 달도 테이아라는 화성 크기 원시 행성과 충돌한 결과이고 지구와 다른 내행성들도 대폭격기라는 역동적 시기를 보냈다는 점을 생각하면 ARKS 관측 결과는 이런 일이 아직 안정화되기 전 초기 행성계에서 흔하다는 점을 보여주고 있습니다.
아무튼 이런 걸 생각하면 우주 저 멀리에도 지구 - 달 처럼 거대한 위성을 거느린 암석 행성이 드물지 않을 수 있겠다는 생각이 듭니다. 외계인도 보름달을 보며 온갖 상상을 할지 궁금하네요.
참고
ALMA reveals teenage years of new worlds (phys.org)
S. Marino et al. The ALMA survey to Resolve exoKuiper belt Substructures (ARKS) — I: Motivation, sample, data reduction, and results overview. Astronomy & Astrophysics (2026). DOI: 10.1051/0004-6361/202556489. www.mpg.de/26005548/arks_part_ … verview_preprint.pdf
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