연구자들이 지구와 같은 암석 행성을 만들기 위한 레시피를 수정했습니다
지난 10년 동안 연구자들은 목성과 토성과 같은 거대 가스가 어떻게 형성되는지에 대한 이야기를 완전히 다시 썼습니다. 그들은 이제 동일한 과정이 지구에도 적용될 수 있는지 토론하고 있습니다.
소개
Bob O'Dell은 자신이 무엇을 보고 있는지 확신할 수 없었습니다. 때는 1992년이었고, 그는 오리온 성운의 어린 별들을 확대한 허블 우주 망원경의 새로운 이미지를 막 손에 넣었습니다. 오델은 지구에 상대적으로 가까운 별 형성의 흥미로운 지역인 성운 자체를 연구하기를 바랐습니다. 그러나 그의 관심을 사로잡은 것은 따로 있었다. 몇몇 별은 전혀 별처럼 보이지 않았지만 대신 희미한 장막으로 둘러싸여 있었습니다. 오델은 "성운을 배경으로 한 실루엣"을 형성하는 것 같다고 말했습니다.
처음에 O'Dell과 그의 동료들은 허블의 뒤틀린 주경으로 인해 발생한 이미지 인공물을 보고 있을 수도 있다고 생각했습니다. 이 거울은 아주 약간 잘못된 모양으로 성형되었으며 1993년 우주 왕복선 임무로 수정될 것입니다. 허블의 프로젝트 과학자였던 O'Dell은 "우리는 이것이 결함이 있는 주경의 잔여 효과인지 정말 궁금했습니다."라고 말했습니다. 그러나 곧 그들은 거울을 고친 후에도 이미지에서 점점 더 많은 현상을 보았고 그것이 전혀 결함이 아니라는 것을 깨달았습니다. 그들은 실제로 어린 별들을 둘러싸고 있는 먼지와 가스로 이루어진 어린 원반을 보고 있었습니다. 그들은 처음으로 행성의 탄생을 목격했습니다.
오델의 원시행성 원반 발견은 행성 형성에 대한 우리의 이해에 변화를 촉발시켰습니다. 다음 수십 년 동안 천문학자들은 행성이 어떻게 형성되는지에 대한 우리의 고전적인 생각, 즉 작은 암석이 더 큰 암석으로 뭉쳐지고 더 큰 암석이 뭉치는 방식이 정확하지 않을 수도 있다는 것을 깨닫게 될 것입니다. 목성과 토성과 같은 거대 가스 행성의 경우 지배적인 물체가 작은 암석을 삼키는 자갈 강착이라는 모델이 그러한 괴물 같은 세계가 어떻게 형성되는지에 대한 오래된 견해를 대체하게 될 것입니다.
이 허블 우주 망원경 이미지는 먼 별 주위의 원시행성 원반에 대한 최초의 직접적인 증거를 제공했습니다.
C.R. O'Dell(라이스 대학) 및 NASA
내부 태양계의 암석 세계는 더 까다롭습니다. 행성 과학자들은 조약돌 부착이 지구와 그 이웃이 어떻게 생겨났는지 설명할 수 있는지, 아니면 더 오래된 견해가 여전히 가장 가능성이 있는지에 대해 열띤 논쟁을 벌였습니다. 충돌은 지난 몇 년간 저널 기사를 통해 자주 발생했으며, 최근에는 바이에른 알프스의 한 성에서도 발생했습니다.
논쟁은 지구의 기원과 물과 같은 거대한 미스터리에만 영향을 미치는 것이 아닙니다. 그 대답은 또한 지구와 같은 세계가 우주 전체에 얼마나 널리 퍼져 있는지를 밝히는 데 도움이 될 것입니다. 그러한 세계는 우주의 우연, 즉 우주의 다른 곳에서 생명체의 전망을 희박하게 만드는 우연한 사건의 조합에 불과합니까? 아니면 태양계에서 적절한 재료를 갖춘 거주 가능한 행성이 확실하여 우리를 많은 사람 중 하나로 만들까요?
캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 행성 과학자 콘스탄틴 바티긴(Konstantin Batygin)은 “우리 주변의 세계가 어떻게 형성되었는지 묻는 것은 인간 경험의 일부입니다.”라고 말했습니다. 만약 그것이 자갈로 형성된다면, 우리와 같은 세계가 얼마나 더 많이 존재하는지에 대한 엄청난 결과를 가져올 것입니다.
자갈의 침입
2012년 스웨덴 룬드 대학의 천문학자인 Anders Johansen과 Michiel Lambrechts는 대담한 예측을 했습니다. 지난 수십 년 동안 천문학자들은 지구와 목성과 같은 행성이 젊은 태양계에서 서로 충돌하는 소행성 같은 물체, 소행성체가 점진적으로 축적되어 성장했다고 믿었습니다. 행성상 강착(planetesimal accretion)으로 알려진 이 과정은 느릴 것이다. 아마도 행성을 형성하는 데 최대 1억년이 걸릴 것이다. 그러나 그것은 의미가 있었습니다. 우리는 태양계에서 많은 소행성을 볼 수 있으며, 45억년 전에 형성되었을 때는 오늘날 우리가 보는 모든 세계를 형성하기에 충분할 만큼 더 많은 소행성이 있었다고 가정하는 것이 합리적으로 보였습니다.
그러나 문제가 있었습니다. 미행성체가 어떻게 형성되었는지, 즉 미터 크기 장벽으로 알려진 문제인 작은 먼지 알갱이에서 도시 크기의 암석으로 어떻게 점프했는지는 아무도 확신하지 못했습니다. 지구에 액체 물이 존재한다는 사실은 물을 함유한 소행성이 우연히 도착할 것인지에 의존하기 때문에 혼란스러웠습니다. 그리고 가장 문제가 되는 소행성 강착은 토성, 천왕성, 해왕성을 만드는 데 너무 오랜 시간이 걸릴 것입니다. 수천만 년이 지난 후 그들의 단단한 핵이 형성될 때쯤이면 원시행성 원반에서 가스 거인이 되기에 충분한 가스를 축적하기에는 너무 늦었을 것입니다. 라이스 대학의 행성 과학자인 안드레 이지도로(André Izidoro)는 "대부분의 원반은 수백만 년 안에 사라지기 때문입니다."라고 말했습니다.
Johansen과 Lambrechts는 새로운 모델을 제안했습니다. 여러 개의 소행성이 함께 충돌하는 대신, 그들은 진공 청소기처럼 원시행성 원반 내부의 물질을 쓸어냄으로써 단 몇 백만 년이라는 짧은 시간 안에 하나의 주요 소행성이 거대한 크기로 성장할 수 있다고 제안했다고 요한센은 말했습니다. 이 물질은 어린 별들을 둘러싸고 있는 작은 씨앗 같은 암석으로 구성될 것입니다. 그들은 이 아이디어를 조약돌 부착이라고 불렀습니다.
자갈은 크기가 몇 밀리미터에서 센티미터에 불과할 정도로 매우 작은 반면, 소행성체는 오늘날 우리가 태양계에서 볼 수 있는 많은 소행성처럼 훨씬 더 크며 너비가 최대 수백 킬로미터에 이릅니다. 둘 다 별의 원시행성 원반에서 발견되며, 후자는 때때로 서로 충돌합니다.
Johansen과 Lambrechts가 조약돌 모델을 발표한 지 불과 2년 후인 2014년에 관측 결과에 따르면 원반은 실제로 조약돌로 가득 차 있었습니다. ALMA(아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 배열)라고 불리는 66개의 망원경으로 구성된 네트워크는 성장하는 행성이 궤도를 형성하여 생성된 넓은 간격을 포함하여 어린 별을 둘러싸고 있는 원시행성 원반 내부에 최대 100개의 지구 질량에 해당하는 자갈을 밝혀냈습니다. 이 원반 안에는 자갈이 곳곳에 있었습니다. ALMA는 "원행성 원반이 소행성체가 아닌 작은 자갈로 이루어진 거대한 질량의 저장소로 탄생한다는 것을 보여주었습니다"라고 Lambrechts는 말했습니다.
2014년 HL 타우리 주위의 원시행성 원반에 대한 ALMA 관측에서는 원반에 자갈이 존재하는 것을 포함하여 숨겨진 구조가 밝혀졌습니다.
ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)
오래지 않아 대부분의 과학자들은 자갈이 부착되어 거대 행성이 형성되었다는 데 동의하게 되었습니다. 그것이 그들이 충분히 빠르게 성장할 수 있는 유일한 방법인 것처럼 보였습니다. 프랑스 코트다쥐르 천문대(Côte d'Azur Observatory)의 행성 과학자 알레산드로 모르비델리(Alessandro Morbidelli)는 "거대 행성의 핵심에 대해서는 조약돌 강착이 해결책이라는 데는 의심의 여지가 없습니다."라고 말했습니다.
그러나 이것이 목성, 토성, 천왕성, 해왕성의 형성을 설명하는 것처럼 보이지만, 자갈 강착은 수성, 금성, 지구, 화성과 같은 지구형 행성의 형성에 대해 상당한 의문을 제기했습니다. “원칙적으로는 소행성 강착을 통해 지구형 행성을 형성할 수 있습니다.”라고 Lambrechts는 말했습니다. "하지만 이제 자갈의 침입이 발생했습니다."
조약돌 강착 모델에서는 소행성 강착 모델과 마찬가지로 어린 별 주위의 원시행성 원반으로 시작합니다. 두 모델 모두 스트리밍 불안정성이라는 현상을 통해 행성이 형성되도록 요구합니다. 본질적으로 먼지와 자갈은 별 주위의 가스를 만나면서 끌림을 경험합니다. 이로 인해 자갈이 서로 뭉치게 되고 일부 덩어리는 "너무 거대해서 중력에 묶여서 최대 수백 킬로미터 너비의 소행성으로 붕괴"될 때까지 발생한다고 뮌헨 루드비히 막시밀리안 대학의 천체물리학자인 Joanna Drążkowska는 말했습니다. 그러면 덩어리가 형성되면서 회전하여 두 개의 돌출부가 생길 수 있습니다. Drążkowska는 Arrokoth와 같은 외부 태양계 물체에서 "이것이 바로 우리가 보는 것"이라고 말했습니다. 그 과정은 믿을 수 없을 정도로 빠르게 진행될 것으로 예상되며, 아마도 100년밖에 걸리지 않을 것입니다.
여기서부터 두 모델이 갈라집니다. 소행성 강착 하에서 이 소행성체는 디스크의 모든 곳에서 형성되어 자갈이 거의 남지 않습니다. 수천만 년에 걸쳐 대형 행성들이 충돌하고 합쳐지면서 결국 오늘날 우리가 볼 수 있는 지구형 행성이 탄생했습니다.
조약돌 강착에서는 소수의 소행성만이 지배적이 됩니다. 이 미행성체는 원시행성 원반의 자갈을 쓸어담기 시작하고, 자갈은 강과 같은 긴 필라멘트 형태로 미성체 표면으로 흘러내립니다. 자갈이 쏟아져 내리면서 뜨거운 마그마 바다가 표면에서 빛을 내는 매우 에너지 넘치는 과정입니다. Lambrechts는 “이 행성들은 빛날 것입니다.”라고 말했습니다. 이 프로세스는 매우 효율적입니다. 지구는 불과 몇 백만 년 안에 완전한 크기로 성장할 것입니다. 반면에 소행성 강착은 아마도 1억 년이 걸릴 것입니다.
조약돌 강착의 가장 흥미로운 결과 중 하나는 거주 가능한 행성이 어떻게 형성되는지 직접적으로 예측할 수 있다는 것입니다. 이 모델은 원시 행성과 우연히 충돌하기 위해 물이 풍부한 소행성에 의존하는 대신 외부 태양계에서 들어오는 얼음 자갈이 지구와 같은 행성에 꾸준한 물 공급을 제공할 수 있다고 제안합니다. 이는 자갈 눈으로 알려진 아이디어입니다. Johansen은 “자갈 눈의 좋은 점은 예측이 가능하다는 것입니다.”라고 말했습니다. “지구로 내려오는 물과 탄소, 질소의 양은 계산할 수 있습니다.”
따라서 지구 행성 형성에 대한 조약돌 강착 모델이 정확하다면 우주의 다른 생명체의 전망에 좋은 징조가 될 수 있습니다. 소행성 강착에서는 지구상에 물이 존재하는 것이 우연한 사건인 반면, 자갈 강착에서는 우리와 같은 행성계에서 그것이 예상될 수 있습니다. 원시 지구를 비슷한 위치에 있는 비슷한 별 주위에 놓으면 모이는 물의 양이 같을 수 있습니다. 거주 가능한 세계는 우연한 사건이 아닐 것입니다. 행성계에 올바른 구성 요소가 있다면 그들의 존재는 계산 가능한 결과가 될 것입니다. “이것은 생물 이전의 화학과 생명의 기원을 이해하기 위한 출발점으로 사용할 수 있습니다.”라고 Johansen은 말합니다.
위대한 건축가
조약돌 부착은 매력적인 아이디어처럼 보입니다. 이는 빠른 행성 성장 문제를 해결하고, 지구에 물이 존재한다는 사실을 설명하며, 개발 중인 외계 행성계의 자갈도 관찰할 수 있습니다. University College London의 행성 형성 과학자인 Paola Pinilla는 “ALMA를 통해 우리는 이제 자갈이 행성 형성과 잠재적인 행성으로 이어지는 특정 지역에 집중되어 있다는 것을 알고 있습니다.”라고 말했습니다.
그러나 이것이 거대한 행성 성장에 대한 좋은 설명을 제공하는 반면, 조약돌 부착은 지구 행성과 관련하여 몇 가지 주목할만한 문제를 안고 있습니다.
첫째, 내부 태양계의 자갈은 어디에서 왔습니까? 최근 몇 년 동안, 행성 과학자들은 우리 태양계에서 가장 큰 행성인 목성이 행성의 운명을 결정하는 주된 힘이었다고 믿게 되었습니다. "새로운 모습은 목성이 태양계의 위대한 건축가였다는 것입니다"라고 Batygin은 말했습니다.
목성의 급속한 형성 직후, 목성은 태양계 내부와 외부 사이에 장벽을 만들어 질량이 풍부한 외부 지역의 물질이 질량이 부족한 지구 내부 행성으로 흘러가는 것을 막았다고 Batygin은 말했습니다. 모르비델리는 “거대한 행성이 먼지와 자갈의 흐름을 차단했습니다.”라고 말했습니다. 내부 원반의 자갈은 지구형 행성이 형성되기 전에 소멸되었을 수 있으며, 외부 태양계에서 더 많은 물질이 들어오지 않았다면 지구를 만들기에 충분한 물질이 없었을 것입니다.
재료가 충분하더라도 조약돌 부착은 또 다른 문제에 직면하게 됩니다. 이는 매우 효율적이지만 아마도 너무 많은 것일 수 있습니다. 만약 지구와 다른 지구형 행성들이 조약돌 부착에 의해 형성되었다면, 왜 그들이 점점 더 커지지 않았는지 명확하지 않으며, 결국 슈퍼지구(슈퍼지구, 즉 크기가 지구와 해왕성 사이 어딘가에 있는 세계)가 되었는데, 이는 다른 행성계에서 비교적 흔한 것으로 보입니다. "조약돌 부착의 어려움은 그다지 효율적이지 않거나 매우 효율적이라는 것입니다."라고 프랑스 보르도 천체물리학 연구소의 천문학자인 Sean Raymond는 말했습니다. "그 중간에 있는 경우는 거의 없습니다. 그리고 지구 행성을 위해 일하려면 적절한 양의 물건이 필요합니다." 물질이 너무 적으면 행성은 결코 자라지 않습니다. 너무 많으면 행성이 너무 빨리 커지고 "태양계는 지구형 행성이 아닌 슈퍼지구를 갖게 될 것"이라고 레이몬드는 말했습니다.
이러한 문제는 지난 몇 년 동안 행성 과학자들 사이에서 상당한 논쟁을 불러일으켰으며, 논쟁의 양쪽에서 많은 연구가 진행되고 있습니다. 9월에 Morbidelli와 그의 동료들은 Nature Astronomy에 기사를 게재했습니다. 원시행성 베스타에 대한 연구를 기반으로 소행성들이 태양계의 현재 구성을 어떻게 설명하는지 제안했습니다. 이 연구는 한때 행성의 고리가 현재 지구의 위치에서 태양 주위를 공전했다고 제안합니다. 시간이 지나면서 이 고리는 고리 중앙쪽으로 두 개의 큰 행성인 지구와 금성을 형성했고, 측면에는 두 개의 작은 행성인 화성과 수성을 형성했습니다.
그러나 다른 사람들은 자갈이 지구 행성을 탄생시킬 수 있는 방법을 계속 조사하고 있습니다. 지난 2월 요한센과 동료들은 우리 태양계가 어떻게 이런 방식으로 형성될 수 있었는지 설명했습니다. 그리고 지난 달 Drążkowska와 동료들은 조약돌 강착을 사용하여 태양과 같은 다른 별 주변에서 슈퍼지구가 상대적으로 드문 이유를 설명했습니다.
지난달 독일 링베르크성에서 열린 워크숍에서는 토론이 자유롭게 흘러갔다. Johansen 및 Lambrechts와 같은 일부는 지구 행성에 대한 조약돌 강착 모델을 매우 선호합니다. Johansen은 “이것이 지배적인 과정이라는 매우 강력한 증거가 있습니다.”라고 말했습니다. 다른 사람들은 덜 확신합니다. 독일 뮌스터 대학의 행성 과학자인 토르스텐 클라인(Thorsten Kleine)은 “조약돌 강착은 행성 형성을 이해하는 데 매우 중요한 과정이라고 생각하지만, 이것이 우리 태양계에 지구형 행성을 만든 과정은 아니라고 생각한다”고 말했다. 두 가지 과정은 또한 목성이 들어오는 자갈의 흐름을 차단한 후 조약돌 강착이 소행성체를 생성하고 합쳐지는 방식으로 함께 작동했을 수도 있습니다.
일부 사람들은 우주 물체의 구성을 연구하는 우주화학으로 전환하면 답을 찾을 수 있기를 희망합니다. 요한센은 소행성 강착 모델이 정확하다면 지구와 비슷한 구성의 소행성을 발견할 수 있을 것이라고 지적했습니다. 소행성은 우리 세계의 구성 요소일 가능성이 높습니다. 그러나 이것은 사실이 아니다. “내 생각에는 이것이 고전적 모델의 한계라고 생각합니다. 왜냐하면 고전적 모델을 찾지 못했기 때문입니다.”라고 그는 말했습니다. “지구처럼 생긴 운석은 실제로 전혀 없습니다.”
그러나 만약 지구가 조약돌 강착을 통해 형성되었다면 우리는 외부 태양계에서 나오는 조약돌에 의해 지구에 질소와 탄소 같은 휘발성 원소가 "훨씬 더 풍부"할 것으로 예상했을 것이라고 워싱턴 D.C.에 있는 카네기 과학 연구소의 우주화학자인 코넬 알렉산더는 말했습니다. "우리는 그것을 보지 못하고 있습니다." 알렉산더와 같은 과학자들은 우주화학의 새로운 아이디어와 초기 태양계 모델링을 결합하면 몇 가지 유용한 답을 얻을 수 있기를 바라고 있습니다. “모델 제작자와 우주화학자 모두 해야 할 일이 있습니다.”라고 그는 말했습니다.
다른 곳에서는 외계 행성계에 대한 지속적인 연구를 통해 더 많은 정보를 얻을 수 있습니다. ALMA는 이미 5,000개가 넘는 원형 행성 원반을 관찰했다고 Pinilla는 말했습니다. 이 원반은 100만 년 미만의 아주 어린 원반부터 최대 3천만 년 된 원반까지 포함됩니다. 한번은 우리는 PDS 70b라는 거대한 행성이 그러한 원반 내부에서 태어나는 것을 본 적이 있으며 앞으로 더 많은 목격이 기대됩니다. 일부 디스크는 먼지 빛을 보여 충돌하는 미행성 물질이 존재할 가능성이 있음을 나타냅니다. 하지만 그 수가 얼마나 되는지 확실하지 않습니다. ALMA의 작업과 함께 12월에 발사될 제임스 웹 우주 망원경(JWST)의 다가오는 관측은 귀중한 추가 단서를 제공할 수 있습니다. "JWST에서 화학적 흔적을 가져오고 ALMA에서 자갈 분포를 가져오면 디스크 내부 부분에 어떤 유형의 행성이 형성될 수 있는지에 대한 힌트를 얻을 수 있습니다"라고 Pinilla는 말했습니다.
아직 불확실한 부분이 많습니다. 이제 가장 중요한 질문은 다음과 같습니다. 우리 행성은 거대한 소행성과 같은 물체 사이의 반복된 충돌의 결과였습니까? 아니면 우리는 수조 개의 작고 아마도 얼음이 풍부한 우주 자갈로 이루어진 세계 위에 서 있습니까? 이 근본적인 질문을 해결하면 우리 자신의 과거뿐만 아니라 지구와 같은 모든 세계를 들여다볼 수 있는 창이 제공될 것입니다.
