태양계는 어떻게 두 단계로 형성됐나?

태양계의 형성과 구조에 대한 새로운 이론적 틀 제시

태양계 형성 이론에 따르면 우리 태양계는 화성과 목성 사이의 동결선을 중심으로 내측 태양계와 외측 태양계가 나눠져 형성된 것으로 보고 있다.

영국 옥스퍼드대와 독일 루드비히-막시밀리안대 및 BGI 바이로이트대, 스위스 취리히대 연구팀은 초기 태양계의 이런 두 단계 형성 과정이 태양계 형성의 연혁과, 내측 및 외측 태양계(outer Solar System)의 휘발성 동위원소 분리를 설명할 수 있다는 연구를 발표했다.

과학 저널 ‘사이언스(Science)’에 게재된 이 연구에서 연구팀은 지구와 금성, 화성과 같은 태양계 내측 지구형 행성(terrestrial planets)과 목성, 토성, 천왕성, 해왕성 같은 외측 태양계의 몇 가지 특징과 함께 소행성과 운석류의 구성을 설명할 수 있는, 태양계의 형성과 구조에 대한 새로운 이론적 틀을 제시했다.

우리 태양계의 모습, 태양 오른쪽에 지구를 포함한 내측 태양계 행성을, 왼쪽 위에 목성, 토성 등의 외측 태양계 행성을 표시했다. © WikiCommons / Harman Smith and Laura Generosa / NASA’s Jet Propulsion Laboratory

작고 건조한 행성군과 크고 습한 행성군

연구팀의 이번 작업은 최근의 천문학 발전, 즉 다른 태양계들의 형성 과정 관측과, 운석의 동위원소와 철분 및 수분 함유에 대한 실험실 실험과 분석을 반영하고 있다.

연구팀은 태양과 태양계 최초 형성 단계에서의 천체물리학과 지구물리학적 현상을 조합해, 이 이론으로 내측 태양계는 왜 작고 질량에 비해 물이 거의 없이 말랐으며, 외측 태양계는 덩치가 크고 많은 물을 가지고 있는지를 설명할 수 있다고 제안했다.

이 이론은 또한 운석에 나타난 기록도 행성들이 두 가지 다른 단계로 형성됐다는 것을 설명할 수 있다는 것이다.

연구팀의 새로운 이론에 따르면, 지구와 화성, 금성 같은 태양계 내측의 지구형 원시행성들은 초기에 강착되고 상당한 양의 방사성 붕괴 열을 받아 속이 녹으면서 철심이 형성되는 한편 물 같은 휘발성 물질들이 빠르게 날아가 버려 크기는 작고 건조한 행성이 됐다. 이에 비해 목성, 토성, 천왕성, 해왕성 같은 외측 태양계 행성들은 더 늦게 강착되고 방사성 열도 적어 휘발성 물질의 방출이 제한돼 대부분 그대로 유지되면서 크기는 크고 습한 행성이 됐다는 것이다. © Mark A Garlick/markgarlick.com

이 이론에 따르면 내측의 지구형 원시 행성들은 초기에 강착됐고(accreted), 강력한 방사선 붕괴에 의해 내부적으로 가열됐다. 이로 인해 내측 행성들은 건조해져서 습한 외측 행성군들로부터 안쪽으로 분리됐다는 것.

이는 우리 태양계 바깥의 행성계에 지구와 같은 행성들이 분포하거나 필요한 형성 조건에 대해 여러 시사점을 던져준다.

내외측 태양계 미행성 형성 시기 뚜렷하게 구분돼

연구팀이 수행한 이번 수치 실험은, 내측 태양계의 태동과 길게 이어진 강착 완료와 함께, 그 이후에 시작된 외측 태양계의 더 빠른 강착이 행성 구성요소인 미행성(planetesimals)들이 두 개의 뚜렷하게 구분되는 시기에 형성됐다는 것을 보여준다. 미행성은 행성들을 형성하는 구성요소다.

행성이 형성되는 초기 원시행성 원반의 상상도. © NASA

행성을 형성하는 원반에 대한 최근 관찰에 따르면, 원반의 중앙을 지나는 면(midplanes)이 상대적으로 낮은 수준의 난류(turbulence)를 가질 수 있는 것으로 나타났다.

이런 조건에서 원반의 가스에 있는 먼지 입자와, 가스가 어는 궤도 지점(동결선, the snow line) 주변에 있는 물 사이의 상호작용으로 인해 내측 태양계에서 미행성들의 조기 형성 폭발이 일어나고, 이어 외측 태양계 폭발이 일어나 멀리 퍼져나갔다는 것이다.

미행성들이 주변 원반으로부터 그리고 상호 충돌을 통해 물질들을 더 많이 강착시킴으로써 두 개의 서로 다른 내외측 태양계를 만들어낸 에피소드는, 원시 행성들을 형성하는 내부 진화의 상이한 지구물리학적 양상을 나타내준다.

지난달 22일 자 ‘사이언스’에 게재된 논문. ©AAAS / Science

“은하계에서 태양계 위치 이해하는 길 열어”

논문 제1저자인 옥스퍼드대 대기·해양·행성물리학과 팀 리히텐버그(Tim Lichtenberg) 박사는 연구노트에 다음과 같이 서술했다.

미행성 개체군들이 서로 다른 태양계를 형성한 시간에 간격이 생긴 것은 방사성 붕괴로 인한 내부 열 엔진이 크게 달랐음을 의미한다. 내측 태양계 미행성들은 매우 뜨거워져 속에 마그마 바다가 발달해 빠르게 철심이 형성되고, 초기의 휘발성 성분들이 날아가 버려 궁극적으로 건조한 행성 구성요소가 됐다.

이에 비해 외측 태양계 미행성들은 나중에 형성됨으로써 실질적으로 내부 발열이 적었고 따라서 내부 철심 형성과 (물 같은) 휘발성 물질의 방출이 제한됐다.

리히텐버그 박사는 이어, ‘초기에 형성되고 건조한 내측 태양계와 나중에 형성되고 습한 외측 태양계는 그에 따라 생성 초기부터 서로 다른 진화 과정을 밟게 됐다’며, ‘이는 지구와 같은 행성의 최초 대기의 기원을 이해하고 은하계 전체의 외계행성 조사에서 우리 태양계의 위치를 확인하는 새로운 길을 열어준다’고 밝혔다.

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