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초기 시절에는 자기장은 지금보다 50배 강했다.

목성은 한때 지금보다 두 배나 컸다.
가스 행성은 초기 시절에는 자기장은 지금보다 50배 강했다.

태양계 초기, 목성은 지금보다 두 배나 컸다. 당시 이 젊은 가스 행성 안에는 지구 약 2천 개가 들어갈 수 있었다. 행성 연구자들이 "네이처 천문학(Nature Astronomy)"에 발표한 바에 따르면, 목성의 자기장 또한 약 50배 강했다. 그들은 최초로 가스 행성의 "젊은 시절의 초상"을 재구성했다. 이는 태양계에서 가장 큰 행성의 형성과 초기 단계에 대한 정보를 제공한다. 

▲ 초창기에는 거대 가스 행성인 목성이 지금보다 더 컸으며, 자기장도 더 강했다. © Kevin M. Gill; NASA/JPL-Caltech/SwRI/ MSSS.Media

목성은 태양계에서 가장 크고 오래된 행성이자 가장 영향력 있는 행성이다. 이 가스 행성과 그 엄청난 중력이 없었다면 우리 행성계는 지금과 다른 모습을 보였을 것이다. 아마도 지구와 다른 목성 내부의 암석 행성들도 목성이 없었다면 존재하지 않았을 것이다. 목성이 처음 형성된 위치에서 현재 위치로 이동한 과정은 어린 태양계 거의 모든 천체의 궤도에도 영향을 미쳤다. 따라서 목성은 종종 우리 태양계의 "건축가"로 여겨진다.

목성의 위성, 증인들

우리 행성의 터전으로서 목성이 갖는 형성적 중요성에도 불구하고, 중요한 질문들은 여전히 ​​풀리지 않았다. 캘리포니아 공과대학교의 콘스탄틴 바티긴과 미시간 대학교의 프레드 애덤스는 "목성의 형성에 대한 세부 사항과 연대기는 여전히 파악하기 어렵다"며 "대략적인 윤곽은 수십 년 동안 알려져 왔지만, 목성의 초기 발달 과정에 대한 복잡한 내용은 제대로 이해되지 않았다"고 설명했다.

더 명확한 이해를 위해 바티긴과 애덤스는 새로운 접근법을 시도했다. 목성의 안쪽에 있는 두 개의 작은 위성인 아말테아와 테베의 궤도를 분석했다. 이 위성들은 목성의 초기 역사에 존재했을 가능성이 높다. 따라서 약간 편심하고 기울어진 궤도는 이 가스 행성의 초기 상태, 특히 크기와 자기장에 대한 단서를 제공할 수 있다. 연구진은 "이 목성 역학과 각운동량을 분석함으로써 어린 목성의 반지름과 내부 상태에 대한 결론을 도출할 수 있다"고 설명했다.

▲ 가장 안쪽에 있는 위성, 특히 아말테아와 테베의 궤도는 복원에 도움이 되었다. © NASA/JPL/ 코넬 대학교

50배 더 ​​강한 자기장

이 결과는 태양계 형성 후 약 380만 년, 즉 최초의 행성핵이 형성되고 원시 태양 구름이 소멸된 시기의 목성의 모습을 보여주는 재구성이다. 바티긴과 애덤스는 "우리의 계산에 따르면 목성은 당시 현재보다 2~2.5배 더 컸다"고 보고했다. 당시 어린 가스 행성의 부피는 지구 약 2천 개에 해당했다.

분석 결과, 어린 목성은 당시 훨씬 더 강력한 자기장을 보유하고 있었다는 사실도 밝혀졌다. 연구진은 약 21밀리테슬라의 자기장으로, 오늘날 목성 자기장보다 약 50배, 지구 자기장보다 약 400배 강했다고 밝혔다. 따라서 이 어린 가스 행성의 자기권은 우주 저편까지 확장되어 있었다. 애덤스는 "42억 년이 지난 지금도 목성의 초기 물리적 상태를 재구성할 수 있는 충분한 흔적이 남아 있다는 것은 놀라운 일이다"고 말했다.

▲ 젊은 목성은 오늘날보다 50배 더 ​​강한 자기장을 가지고 있었다. © K. Batygin

원시 구름이 사라졌을 때

이 가스 행성의 새로운 "젊은 모습"은 목성의 형성 메커니즘에 대한 통찰력도 제공한다. 이 데이터는 목성이 가스 구름의 갑작스러운 붕괴를 통해 형성되지 않았다는 가정을 뒷받침한다. 따라서 목성은 갈색 왜성이나 별과 같은 방식으로 형성되지 않았지만, 천문학자들은 외계 가스 행성에서 그러한 붕괴-탄생 과정을 관찰해 왔다. 목성은 강착을 통해 성장하여 처음에는 고체, 그다음에는 기체 상태의 원료를 끌어당기고 굳혔다.

거의 같은 시기, 즉 태양 강착 원반이 형성된 지 약 380만 년 후, 이 원시 구름은 점차 사라지기 시작했다. 어린 태양에서 나오는 강렬한 복사열이 행성 영역의 먼지와 가스를 우주로 날려 버렸다. 이는 당시 주변에서 여전히 많은 양의 가스를 대기로 끌어들이고 있던 어린 목성에도 영향을 미쳤다. 연구진은 "목성 궤도 영역의 태양 성운을 날려 버린 전선이 목성의 행성 주위 원반도 뜯어냈다"고 설명했다. 이러한 손실로 목성의 급속한 성장기가 끝났다.

중요 단계의 스냅샷

바티긴과 아담스의 재구성은 어린 태양계의 중요한 단계를 보여주는 스냅샷이기도 하다. 행성 형성의 원료인 원시 구름의 먼지와 가스가 사라지던 시기의 과정을 보여준다. 이로써 태양계와 그 행성들의 기본 구조가 확립되었다. 바티긴은 "이로써 우리는 귀중한 기준점을 확립했다"고 설명했다. "이를 통해 우리는 이제 태양계의 나머지 발전 과정을 더욱 자세히 파악할 수 있다.

출처: California Institute of Technology

 

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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