태양계의 형성 - 성운설

성운설(Nebula hypothesis)에 따르면 태양계는 거대한 가스구름(성운)이 뭉치면서 시작된다. 성운이 뭉치면서 성운의 크기가 작아지는데, 각운동량 보존법칙에 따라서 더 빠르게 회전하게 된다. 빠른 회전은 성운의 적도 부근의 원심력을 가장 강하게 만들고 결국 원반 형태를 띠면서 진화하게 된다. 이 원반은 결국 한 개의 고유한 태양계가 될 것이다.

행성은 어떻게 형성될까? 암석형 행성의 형성

원반의 중심부는 별로 진화하는 반면, 원반의 바깥쪽은 먼지들이 뭉치면서 높은 밀도의 먼지가 있는 지역을 중심으로 행성들을 형성하게 된다. 작은 원시행성들은 별을 중심으로 원에 가까운 궤도를 돌며 진화하게 되는데, 별이 진화함과 동시에 태양풍으로 가스들을 멀리 날려 보내며 동결선(frost line) 안쪽 작은 원시 행성들은 서로 충돌하며 진화하게 된다. 동결선 안쪽은 온도가 높아서 얼음 및 기타 물질들이 입자로 뭉쳐지지 못하고 대신 암석들로 이루어진 알갱이들이 서로 뭉쳐지게 된다.

천체의 질량이 증가할수록 행성의 성장 속도는 폭주하게 되고(폭주 성장:runaway accretion) 이는 대략 만년에서 10만 년까지 지속된다. 그 후 커다란 천체들을 중심으로 천천히 미행성(planetesimal)들을 흡수하게 되는데(과두 성장: oligarchic accretion) 이는 다소 천천히 진행된다. 이 과정을 거치고 나면 수천만 년 동안 서로의 충돌과 진화를 통해서 결국 소수의 행성만 남게 되며 마침내 지구와 같은 암석형 행성이 탄생하게 된다.

가스형 행성의 형성: 핵 강착 모델 VS. 원반 불안정 모델

반면 목성과 같은 가스형 행성의 형생은 아직 천문학에서 완전히 해결되지 않은 주제 중 하나이다. 성운설에서 이를 주제로 설명 가능한 이론은 두 가지가 있는데, 이들은 핵 강착(core accretion) 모델 그리고 원반 불안정(disk instability) 모델로 나눌 수 있다.

첫 번째 모델인 핵 강착 이론은 대략 지구 질량의 10배 정도 중심핵이 뭉쳐져야 하며 원시 행성계 원반으로부터 가스들이 강착되면서 형성된다. 위 모델은 처음에 느린 과정으로 진행되지만, 점차 빠르게 미행성들을 흡수하는 메커니즘(“Bottom-up process”)을 보여준다. 두 번째 모델인 원반 불안정 모델은 원반이 충분히 차갑고 무거울 때 자체 중력으로 인해서 불안해진 원반이 쪼개지면서 행성이 형성된다는 이론이다. 위 이론은 처음엔 빠르지만 느린 과정으로 미행성을 흡수하는 메커니즘(“Top-down process”)을 보여준다.

핵 강착 모델 VS. 원반 불안정 모델 무엇이 정확한 이론일까? 

두 모델 중 현대 천문학계에서는 핵 강착 모델이 행성 생성의 주류 메커니즘으로 설명되고 있는데, 원반 불안정 모델은 반드시 원반이 무거워야만 행성이 형성됨을 상기하면 핵 강착 모델 이론으로는 상대적으로 작은 질량(태양 질량의 10% 미만)의 원반에서도 가스행성이 태어나는 것을 설명할 수 있기 때문이다.

하지만 천문학자들은 두 모델 중 핵 강착 모델 이론이 주류라고 해서 모든 행성이 위 모델로 탄생하는 것 같지는 않다고 주장한다. M등급별 주위를 도는 지구형 행성을 발견하고자 시작된 카르메네스(CARMENES)팀의 최근 발견(Morales et al. 2018)에 따르면 별 GJ 3512 주위를 도는 GJ 3512 b 가스 행성은 원반 불안정 모델을 통해서 형성되는 것으로 파악된다.

초대형 가스행성 AB Aurigae b의 관측, 왜 놀라울까?

최근 새로운 행성이 발견되었는데 위 행성 역시 원반 불안정 모델을 통해서 형성되고 있는 것으로 보인다. NASA 에임스 연구 센터(NASA-Ames Research Center )의 천체 물리학자인 테인 커리 박사(Dr. Thayne Currie)가 이끄는 연구진은 비활성 하와이 화산 정상 근처에 있는 스바루 망원경(Subaru Telescope)과 지구 저궤도에서 지구를 공전하고 있는 허블 우주 망원경을 통해서 아직 약 200만년밖에 안 된 매우 젊은 별인 AB Aurigae(마차부자리 AB) 주변(우리 태양은 약 45억년의 나이)을 도는 AB Aurigae b 행성을 관측했다.

연구진들은 위 행성의 관측 후 매우 놀랄 수밖에 없었는데, 일단 행성이 매우 먼 거리에서 별을 공전하고 있었기 때문이다. 지구에서 해왕성까지의 거리는 대략 30 AU로 (1 AU는 지구에서 태양까지의 거리) 대략 45억 km 정도의 거리인데, 위 행성은 이 거리의 대략 3배 멀리 떨어진 자그마치 90 AU의 거리에서 형성되고 있다.

더 놀라운 사실은 위 행성이 아직 초기 행성임에도 불구하고 상당히 거대하다는 점이다. 대략 목성 질량의 9배나 되는 (목성은 지구 질량의 대략 320배에 달하며 태양계의 다른 모든 행성을 합쳐도 2배 이상 큼) 위 행성이 상당히 먼 거리에서 발견됨에 따라서 천문학자들은 놀라움을 금치 못했다. 또한 위 행성은 아직 광활한 원반 속에 묻혀 있는 아기 행성이기에, 행성의 크기는 더 커질 수 있을 것으로 전망된다.

원반 불안정 모델을 뒷받침하는 또 다른 연구 결과 

이렇게 큰 궤도 거리에서 이렇게 거대한 행성이 형성되었다는 점은 위 행성이 원반 불안정 모델의 메커니즘을 거치며 형성되었다는 점을 암시한다. 별에서 멀리 떨어진 궤도에서는 거대한 핵을 형성할 만큼 미행성이 충분치 않기에 원반 불안정 모델을 통해서만 설명이 되기 때문이다. 즉, 마차부자리 AB 별 주위의 원반의 온도가 충분히 낮으며 무거울 시 자체 중력으로 인해서 하나 이상의 덩어리로 파편화되며 행성으로 진화했을 가능성이 있다. 주 저자인 커리 박사 역시 위 발견에 관해서 "계란을 요리하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있다”라고 주장하며 목성과 같은 가스형 행성을 형성하는 방법은 여러 가지 있을 수 있다고 밝혔다.

연구팀은 또한 별의 430 ∼ 580 AU 궤도에서도 두 개의 행성 후보가 발견되었다고 밝혔다.