행성계 형성이론 뒤흔드는 신설 성간매질과의 연관이 관건

행성계 형성이론 뒤흔드는 신설 성간매질과의 연관이 관건

남미 칠레의 아타카마 사막에 있는 아르마 (ALMA) 망원경 (아타카마 대형 밀리파 서브 밀리파 간섭계) 야간 모습 (Sangku Kim / ESO)

행성계의 형성에 관한 기존의 이론에서는, 행성은 별 형성의 부산물에 지나지 않는다고 오랫동안 간주되고 있다. 저온에서 농밀한 분자 구름이 붕괴하면서 회전하는 가스와 먼지(고체 미립자)의 원반이 되고, 여기서 항성과 행성이 비교적 고립된 상태로 형성되는 것으로 보고 있다.

별이 형성되도록 만드는 분자구름의 붕괴를 유발하는 원인은 분자구름의 자기중력부터 근처에서 발생한 초신성이 일으키는 충격파, 다른 분자구름과의 충돌까지 다양하다. 별 형성은 우주 초기부터 진행된 과정으로, 스펙트럼형 G-2의 황색왜성 태양이 약 45억6000만 년 전에 걸렸을 가능성이 높은 시나리오인 것이다.

하지만, 천문학잡지 The Astrophysical Journal에 게재 예정의 최근 논문에 따르면, 행성계의 형성에서는, 성간매질(星間媒質. 성간 공간에 존재하는 가스나 먼지 등의 성간 물질)로부터의 가스와 먼지의 계속적인 유입이, 지금까지 생각하고 있던 것보다 훨씬 큰 역할을 하고 있다고 한다. 
이번 논문은 컴퓨터 시뮬레이션과 수치 계산을 바탕으로 했지만 연구의 계기가 된 것은 남미 칠레 북부에 설치된 유럽남천천문대(ESO) 등이 운용하는 대형 전파간섭계 알마(ALMA) 망원경으로 얻은 최근 관측 데이터다.

알마(ALMA) 망원경에 의해 태양계 부근의 여러 별 형성 영역에서 원시 행성계 원반에 물질이 유입되고 있다는 증거가 밝혀지고 있다고 논문의 최대 집필자이자 프랑스 코트다쥐르 천문대 천문학자인 앤드루 윈터는 취재에 응한 e메일에서 밝혔다. 이는 물질 유입 과정이 널리 일어나고 있음을 시사한다고 윈터는 주장했다.

논문에 따르면 기존 행성 형성 모델에서는 원시별의 붕괴 수축 중 원시 행성계 원반이 형성되고, 이 고립된 항성 원반계 물질로부터 행성이 성장한다고 상정하고 있다. 하지만 성간매질(星間媒質)의 하강해 뭉치는 것이 원시 행성계 원반의 진화 촉진에서 중요한 과정임을 이번 연구에서 밝혀냈다고 논문은 주장했다.

논문에 따르면 원반 내의 물질은 원반이 존속하는 동안에는 항상 보충되어 있다. 논문 추산에 따르면 실제로 전체 원반의 20~70%는 원반의 존속기간 후반에 포착된 물질로 주로 구성된다.

이번 논문의 중요한 포인트는 별 형성 초기의 젊은 행성계가 성간매질(星間媒質)과 밀접하게 연결되어 있다는 데 있다. 이 관련성에 대해서는, 기존의 연구에서는 평가되지 않았다.

윈터에 따르면 원시 행성계 원반은 상당히 이른 단계로 원시별과 같은 시기에 형성된 뒤 고립된 상태에서 진화하는 것으로 보통 여겨진다. 이번 논문에서는 이 통설과는 대조적으로 성간매질의 가스와 티끌을 포착함으로써 원반의 물질이 항상 보충된다는 것을 보여준다고 한다.

받아들여지는 물질은, 은하(직경 약 수만 광년)로부터 개개의 원반(직경 약 수백 천문 단위, 1천문 단위는 태양 지구간의 거리)까지의 다양한 규모에 걸친 성간매질의 난류에 의해서 보충된다.

원시 행성계 원반에 성간물질이 지속적으로 공급되고 있다

◆ 원시 행성계 원반에 물질 공급
성간매질의 물질은 계속적으로 원반에 공급됨과 동시에 (운동에너지를 줌으로써) 원반을 「흘러 넣을」 가능성이 있다. 그 결과 원반 내에 생기는 난류로 인해 먼지가 어떻게 성장해 행성을 형성하는지가 변화할 수 있다고 윈터는 설명한다. 형성되는 행성의 종류는 중심별 주위에 있는 성간매질의 밀도에 의해 결정될 가능성이 높은 것 같다고 윈터는 계속 말한다.

이처럼 중심별의 주변 환경이 분자구름 붕괴 이후에도 계속 중요해지기 때문에 행성 형성의 시각 자체가 바뀌었다고 윈터는 주장했다. 먼지로부터 행성이 성장하는 것을 촉진하는 과정은 모두 가스의 유입에 의해 영향을 받을 수 있으며 이로 인해 행성의 형성 과정이 외부 환경과 직접적으로 연관될 수 있다고 윈터는 말했다.

◆ 물질의 유입
원시 행성계 원반으로의 물질유입은, 복수의 젊은 행성계에서 일어나고 있다고 추측되고 있으며, 유입이 충분히 고속이면, 중력 불안정성을 일으킬 가능성이 있다. 이는 물질이 빠르게 붕괴 수축해 행성이나 소형 항성이 형성된다는 것을 의미한다고 윈터는 설명한다.

윈터에 따르면 이 영향의 중요도는 항성이 오래될수록 작아진다. 그 주된 이유는, 항성이 고밀도의 별 형성 영역으로부터 「분리되기」때문이라고 한다. 태양과 같은 성숙한 항성이 끊임없이 새로운 물질을 끌어들이는 것은 그 때문이라고 윈터는 지적한다.

성간공간의 가스와 먼지가 큰 차이를 일으키고 있을지도 모른다.
아마도 유입되는 가스가 많은지 적은지가 행성계 사이에서 보이는 큰 차이로 이어지고 있는지도 모른다고 윈터는 말한다.

◆ 결론
성간매질이 원반의 진화를 뒷받침하고 있다면 이는 고립된 항성 원반계에 작용하는 과정에 주로 중점을 두고 있는 원시 행성계 원반 이론에 대한 현저한 방향 전환을 보여준다고 윈터는 주장한다.

원반의 진화에 대한 이 새로운 시각으로 인해 생기는 영향은 광범위하며 행성 형성의 모든 단계와 관련이 있다고 윈터는 말했다.

(forbes.com 원문) New Paper Shakes Up Current Theories Of Planet Formation
https://www.forbes.com/sites/brucedorminey/2024/06/06/new-paper-shakes-up-current-theories-of-planet-formation/

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