두 단계로 형성되어 있는 건가? 태양계는 어떻게

태양계의 형성과 구조에 대한 새로운 이론적 틀의 제시 은하계에서 태양계의 위치를 이해하는 길이 열리며,

기사 원문은 인터넷 과학 신문 「사이언스 타임즈」에서 확인할 수 있습니다. ▶ https://bit.ly/3j5YlHo

태양계 형성 이론에 따르면 우리 태양계는 화성과 목성 사이의 동결선을 중심으로 안쪽 태양계와 바깥쪽 태양계가 나눠 형성된 것으로 보고 있다.

영국 옥스퍼드대와 독일 루드비히 막시밀리안대 및 BGI 바이로이트대, 스위스 취리히대 연구팀은 초기 태양계의 이 같은 2단계 형성과정이 태양계 형성의 연혁과 내측 및 외측 태양계(outer Solar System)의 휘발성 동위원분리를 설명할 수 있다는 연구를 발표했다.

과학저널 사이언스에 실린 이 연구에서 연구팀은 지구와 금성, 화성과 같은 태양계 내측 지구형 행성(terrestrial planets)과 목성 토성 천왕성 해왕성과 같은 외부 태양계의 몇 가지 특징과 함께 소행성과 운석류의 구성을 설명할 수 있는 태양계의 형성과 구조에 대한 새로운 이론적 틀로 구성됐다.

우리의 태양계 모습과 태양 오른쪽에 지구를 포함한 내측 태양계 행성을 좌측 위에 목성과 토성 등 외부 태양계 행성을 나타내고 있다. © Wiki Commons / Harman Smith and Laura Generosa Generosa / NASA’s Jet

연구팀은 태양과 태양계의 최초 형성 단계에서의 천체물리학과 지구물리학적 현상을 접목시켜 이 이론에서 안쪽 태양계는 왜 작고 질량에 비해 물이 거의 없고 말라 있으며 바깥쪽 태양계는 덩치가 크고 많은 물을 갖고 있는지 설명할 수 있다고 제안했다.

이 이론은 또 운석에 나타난 기록도 행성이 두 개의 다른 단계에서 형성됐음을 설명할 수 있다는 것이다.

연구팀의 새로운 이론에 따르면 지구 화성 금성과 같은 태양계 내측 지구형 원시행성은 초기에 강착돼 상당한 양의 방사성 붕괴열을 받아 속이 녹으면서 철심이 형성되는 한편 물과 같은 휘발성 물질이 빨리 날아가 크기는 작고 건조한 행성이 됐다. 이에 비해 목성 토성 천왕성 같은 바깥쪽 태양계 행성은 더 늦게 정착했고 방사성 열도 적고 휘발성 물질 방출이 제한돼 대부분 그대로 유지됐으며 크기는 크고 습한 행성이 됐다는 것이다. Mark A Garlick/markgarlick.com 이 이론에 따르면 안쪽의 지구형 원시행성은 초기에 정착하고(accreted) 강력한 방사선 붕괴로 내부적으로 가열됐다. 이에 따라 안쪽 행성은 건조해져 습기찬 바깥쪽 행성군에서 안쪽으로 분리된 것으로 알려졌다.

이는 우리 태양계 밖의 행성계에 지구와 같은 행성이 분포하거나 필요한 형성 조건에 대해 다양한 시사점을 준다.국내외 태양계 미행성의 형성 시기가 뚜렷하게 구분돼 연구진이 실시한 이번 수치 실험은 내부 태양계의 태동과 오래 지속된 강착 완료와 함께 이후 시작된 바깥쪽 태양계의 보다 빠른 강착이 행성의 구성 요소인 미행성(planetesimals)이 두 가지 뚜렷이 구분되는 시기에 형성됐음을 보여주고 있다. 미국 행성은 행성을 형성하는 구성 요소다.

행성이 형성되는 초기 원시 행성 원반의 상상도.©NASA 행성을 형성하는 원반에 관한 최근 관찰에 따르면 원반의 중앙을 지나는 면(midplanes)이 상대적으로 낮은 수준의 난류(turbulence)를 가질 수 있는 것으로 나타났다.

이런 조건에서 원반 가스에 있는 먼지 입자와 가스가 얼어붙는 궤도 지점(동결선, the snow line) 주변에 있는 물 사이의 상호작용에 의해 안쪽 태양계에서 미행성의 조기 형성 폭발이 일어났고, 이어 바깥쪽 태양계 폭발이 일어나 멀리 퍼졌다는 것이다.

미국 행성들이 주변의 원반에서, 그리고 상호충돌을 통해 물질을 더 많이 정착시킴으로써 두 개의 서로 다른 내외 태양계를 만들어낸 일화는 원시 행성을 형성하는 내부 진화의 다른 지구물리학적 양상을 보여준다.

지난달 22일자 ‘사이언스’에 실린 논문들. © AAAS/Science 은하계에서의 태양계 위치를 이해하는 길을 터주고 논문 제1저자인 옥스퍼드대학교 대기, 해양, 행성물리학과 팀 리히텐버그 박사(Tim Lichtenberg)는 연구노트에 다음과 같이 밝혔다.

미국 행성 개체군이 서로 다른 태양계를 형성한 시간에 간격이 생긴 것은 방사성 붕괴에 따른 내부 열 엔진이 크게 달랐음을 의미한다. 안쪽의 태양계 미행성은 매우 뜨거워져 안에 마그마해가 발달하면서 빠른 속도로 철심이 형성되었고, 초기 휘발성 성분이 날아가버려 궁극적으로 건조한 행성의 구성 요소가 되었다.

이에 비해 바깥쪽 태양계 미행성은 나중에 형성됨으로써 실질적으로 내부 발열이 적고, 따라서 내부 철심 형성과 (물과 같은) 휘발성 물질의 방출이 제한되었다.

리히텐버그 박사는 이어 초기에 형성되고 건조한 내측 태양계와 나중에 형성된 습한 외측 태양계는 그로 인해 생성 초기부터 다른 진화 과정을 밟게 됐다며 이는 지구와 같은 행성의 최초 대기의 기원을 이해하고 은하계 전체의 외계 행성 조사에서 우리 태양계의 위치를 확인하는 새로운 길을 열어줄 것이라고 밝혔다.