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- 외부행성 성분은 내부 행성보다 50만 년 늦게 형성됐다.
- 슈퍼지구가 없는 이유;초기 행성 빨리 성장하도록 내부 태양계에 충분한 물질 남지 않아

태양계는 두 단계로 형성됐다?
외부 행성의 구성 성분은 내부 행성보다 50만 년 늦게 형성됐다.

동시가 아니라 차례로 :
태양계가 행성을 만드는 데 두 단계를 거쳤을 것이다.
새로운 모델에 따르면, 내부 행성의 플라네테시멀(planetesimal; 미(微)행성체, 수많은 작은 행성이 모여 태양계 형성)은 당시 스노우 라인(Snow Line:설선, 만년설의 하한선, 설선 아래쪽 눈은 여름에 모두 녹는다) 근처에서 처음 나타났으며, 약 50만 년 후 외부 행성의 구성 성분이 훨씬 더 계속해서 형성됐다. 이것은 연구자들이 Science 저널에 보고한 것처럼 물과 동위 원소 함량의 차이를 설명 할 수 있다. 

▲ 태양계의 내부 행성의 성분은 내부뿐만 아니라 가스 거인의 행성보다 일찍 만들어졌다. © Mark A. Garlick / markgarlick.com

널리 알려진 이론에 따르면 내부 태양계의 모든 행성과 외부 행성의 핵은 강착(降着, accretion)은 천체물리학에서 흔히 사용되는 용례는 어떤 천체가 중력적 작용으로 가스 등의 물질을 흡수해 강착 원반을 만드는 경우)에 의해 형성됐다.
이 과정에서 작은 덩어리가 모여 약 100km의 큰 행성을 만들고 더 많은 덩어리를 끌어들여 성장했다. 이 강착에 특히 유리한 조건은 아마도 물이 얼음으로 변하는 행성계의 구역인 스노우 라인 지역에 존재할 것이다.

초기 설정

그러나 이 시나리오에 부분적으로만 맞는 태양계의 몇 가지 특징이 있다.
한편으로 운석과 태양풍에 대한 동위 원소 측정은 지구와 다른 내부 행성이 원시 구름의 구성과 다르다는 것을 보여준다. 반면에 외부 행성이, 휘발성 물질이 심하게 고갈된 내부 행성보다 물이 훨씬 더 풍부한 이유는 명확하지 않다.
지금까지 이것은 현재 행성 형성 모델과 부분적으로만 일치됐다.

최근 옥스포드 대학의 팀 리첸버그(Tim Lichenberg)와 그의 동료들이 이에 대한 설명을 찾았음에 틀림없다.
그들의 새로운 모델에 따르면, 이러한 차이는 플라네테시멀(미행성체)이 생성되는 태양계의 초기 형성단계로 거슬러 올라간다. 이미 시공간적으로 분리된 두 개의 행성 구성 성분 집단이 나타났다. 연구진은 “이는 태양계 내부와 외부에서 행성을 형성하는 두 가지 다른 방법에 대한 구분을 설정했다”고 말했다.

▲ 미(微)행성체 planetesimal ; 이 작가의 컨셉은 우리 시대와 비슷한 먼 가상의 태양계를 묘사한다. 시스템의 바깥 쪽 가장자리에서 안쪽으로 보면 먼지가 많은 파편 고리가 있고 그 안에는 태양 크기의 별을 도는 행성이 있다. 이 파편은 행성이 진화한 행성 형성 원반의 모든 것이다. 행성은 어린 별을 둘러싼 큰 원반에 먼지가 많은 물질이 모여서 형성된다. 남은 물질은 결국 태양풍에 의해 날아가거나 행성과의 중력 상호 작용에 의해 밀려난다. 수십억 년이 지난 지금, 바깥 쪽의 파편 만 남아 있다. 이 외부 잔해 디스크는 가시 광선 망원경으로 이미지를 찍기에는 너무 희미하다. 그들은 태양의 눈부심에 의해 보이지 않는다. 그러나 NASA의 스피처 우주 망원경은 적외선에서 열 또는 과도한 열 방출을 감지할 수 있다. 이를 통해 천문학 자들은 우리와 같은 먼 태양계에서 행성 건설의 여파를 연구할 수 있다. (출처:The original uploader was 1981willy at English Wikipedia)

그룹 1 : 첫 번째 눈이 내리고 뜨거워 짐

구체적으로는 요약하면 다음과 같이 생겼다.
태양이 형성되고 약 20만 년 ~ 35만 년 후, 첫 번째 미(微) 행성체 군이 약 1.3 ~ 7.5 천문 단위로 생성된다. 이것에 대한 방아쇠는 태양 강도가 증가함에 따라 점차 안쪽에서 바깥쪽으로 표류하는 눈(snow) 근처의 선이다. 그들의 환경에서 물은 작은 바위 조각에 응축되어 서로 달라 붙도록 한다. 이 지역의 원시 구름의 먼지에는 비교적 많은 수의 방사성 원소가 포함돼 있기 때문에 덩어리가 함께 축적된다.

눈 경계가 계속 바깥쪽으로 이동하는 한편, 이 첫 번째 행성은 계속 안쪽으로 이동한다.
그곳에서 물이 증발하고 충돌, 태양열 및 내부의 방사능 붕괴로 인해 매우 뜨거워진다.
"금속 방울들이 흐르는 마그마에서 비처럼 내리고 금속 코어와 용융 규산염 코팅으로의 분화를 촉진한다"고 과학자들은 설명한다. 동시에 많은 휘발성 원소가 증발한다.

그룹 2 : 물이 풍부하고 차갑고 빠름

이것은 두 번째 미행성체 군에서는 다르다.
그들은 약 70만 년 후에야 ​​형성된다. 눈의 선(snow line)이 태양으로부터 약 17개의 천문 단위인 때다. 오늘날 천왕성 궤도의 거의 정점에 이르면 행성 성장의 두 번째 단계가 시작된다.
이 Planetesimales(미행성체)는 더 적은 방사성 요소를 포함하고 덜 가열된다.
그러나 동시에, 지역적으로 높은 농도의 먼지와 덩어리로 인해 시뮬레이션에서 알 수 있듯이 더 빨리 자라며 물이 더 풍부하다.

약 500만 년 후에 원시구름이 녹았을 때 외부 행성의 핵심은 열 부족으로 인해 독특한 내부 구조를 개발하지 못했지만 밀도가 높은 가스층을 담을 만큼 충분한 질량을 축적했다.
내부 행성은 더 일찍 형성됐지만 구성 성분이 부족해 후기 발전 단계에서 더 느리게 성장했다. 따라서 행성의 성장이 멈췄을 때 그들은 최대 지구 크기에 있었다.

▲ 우리 태양계의 시작에는 원시구름이 있었다. 이 원시 행성 디스크가 얼마나 오래 남아 있는지는 이전에 알려지지 않았다.

이것은 또한 태양계에 슈퍼 지구가 없는 이유를 설명한다.
행성 형성이 끝날 무렵, 초기 행성이 빠르게 성장할 수 있도록 내부 태양계에 충분한 물질이 남아 있지 않았다고 리히텐베르크와 그의 동료들은 설명한다.

태양계 외 시스템에 대한 결론

연구원들에 따르면, 이 시나리오는 내부 및 외부 태양계의 행성이 왜 그렇게 다른지, 그리고 다른 행성 시스템이 우리와 매우 다르게 보이는 이유를 설명해준다.
"이것은 지구와 같은 행성과 그 대기의 기원을 이해하는 새로운 방법을 열었다. 또한 태양계가 태양계 외계 공동체에 어떻게 통합되는지를 이해할 수 있다"고 Lichtenberg는 말했다.
(Science, 2021; doi : 10.1126 / science.abb3091)

출처 : University of Oxford, University of Zurich

[더사이언스플러스=문광주 기자] "no science, no future"

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