천문학자들은 지금까지 쌍성계에서 가장 현실적인 행성 형성 모델을 개발했습니다.
캠브리지 대학과 막스 플랑크 외계 물리학 연구소의 연구원들은 케플러 우주 망원경으로 발견한 쌍성계의 외행성이 혼란스러운 탄생 환경에서 파괴되지 않고 어떻게 출현했는지 보여주었습니다.
그들은 더 작은 동반성이 더 큰 모성 주위를 100년에 한 번 공전하는 쌍성계의 한 유형을 연구했습니다. 우리의 가장 가까운 이웃인 센타우리자리 알파가 그러한 시스템의 한 예입니다.
케임브리지 응용 수학 및 이론 물리학과의 공동 저자인 로만 라피코프(Roman Rafikov)는 “이러한 시스템은 천왕성을 대신하는 두 번째 태양과 같을 것”이라며 “이는 우리 태양계를 완전히 다르게 만들 것”이라고 말했다.
그와 그의 공동 저자인 막스 플랑크 외계 물리학 연구소(Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics)의 키드론 실스비(Kidron Silsby)는 어린 별을 중심으로 회전하는 행성의 빌딩 블록인 플라네테시멀(planetesimals)이 이러한 시스템에서 행성과 먼지 원반을 형성하기 위해 직경이 최소 10km에서 시작해야 한다는 것을 발견했습니다. , 얼음 및 행성이 형성되는 별을 둘러싸고 있는 가스는 비교적 둥글어야 합니다.
이 연구는 쌍성계에서 행성 형성에 대한 연구를 새로운 수준의 사실주의로 끌어들이고 많은 것들이 발견된 그러한 행성이 어떻게 형성될 수 있었는지 설명합니다.
행성 형성은 대부분 수소, 헬륨, 얼음과 먼지의 작은 입자로 구성된 원시 행성 원반에서 시작되어 젊은 별을 도는 것으로 믿어집니다. 코어 강착(core accretion)으로 알려진 현재의 주요 행성 형성 이론에 따르면 먼지 입자는 서로 달라붙어 결국 점점 더 큰 고체를 형성합니다.
이 과정이 조기에 중단되면 결과는 지구와 유사한 암석 행성이 될 것입니다. 행성이 지구보다 커지면 중력은 디스크에서 많은 양의 가스를 가두기에 충분하므로 목성과 유사한 가스 거인이 형성됩니다.
"이 이론은 단일 항성 주위에 형성된 행성계에 대해 이해가 되지만, 쌍성계의 행성 형성은 동반성이 원시 행성 원반에 동적으로 에너지를 공급하는 거대한 달걀을 깨는 역할을 하기 때문에 더 어렵습니다."라고 과학자들은 말합니다.
"단일 별 시스템에서 디스크의 입자는 저속으로 이동하므로 충돌할 때 쉽게 서로 달라붙어 성장할 수 있습니다. 그러나 쌍성계에서 동반성의 중력 "계란 두드리는" 효과로 인해 고체 입자는 훨씬 더 빠른 속도로 서로 충돌합니다. 따라서 충돌하면 서로를 파괴한다."
많은 외계행성이 쌍성계에서 관찰되었기 때문에 문제는 항상 그들이 어떻게 그곳에서 형성되었는지였습니다. 일부 천문학자들은 이 행성들이 아마도 성간 공간에 떠 있었고 예를 들어 쌍성계의 중력에 의해 흡수되었을 것이라고 제안하기도 했습니다.
과학자들은 이 퍼즐을 풀기 위해 일련의 시뮬레이션을 실행했습니다. 그들은 현실적인 물리적 데이터를 사용하고 가스 디스크가 그 안에 있는 행성의 움직임에 미치는 중력 효과와 같이 종종 간과되는 과정을 고려하는 이진 시스템에서 행성의 성장에 대한 상세한 수학적 모델을 개발했습니다.
"원반은 일종의 바람처럼 작용하는 가스 저항을 통해 행성에 직접적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다."라고 연구자들은 말합니다. "몇 년 전에 우리는 가스 저항 외에도 디스크 자체의 중력이 행성의 역학을 극적으로 변화시키고 어떤 경우에는 항성 동반자에 의한 중력 섭동에도 불구하고 행성이 형성되도록 허용한다는 것을 깨달았습니다."
이 모델은 행성이 초기에 크기가 최소 10km이고 원시행성 원반 자체가 큰 편차 없이 원형에 가깝다면 알파 센타우리(Alpha Centauri)와 같은 쌍성계에서 형성될 수 있음을 보여주었습니다. 이러한 조건이 충족되면 원반의 특정 부분에 있는 유성체는 결국 서로를 파괴하지 않고 서로 붙을 수 있을 만큼 충분히 천천히 움직입니다.
이 데이터는 행성 형성 과정의 필수적인 부분인 플럭스 불안정성(flux instability)이라고 불리는 행성 형성의 특별한 메커니즘을 뒷받침합니다. 이 불안정성은 가스가 있는 상태에서 움직이는 많은 고체 입자를 포함하는 집합적 효과로, 대부분의 충돌에서 살아남을 수 있는 몇 개의 큰 행성을 생성하기 위해 자갈에서 바위에 이르는 크기의 먼지 입자를 집중시킬 수 있습니다.
이 작업의 결과는 쌍성 및 단일 항성 주변의 행성 형성 이론과 쌍성계에서 원시행성 원반의 유체역학적 모델링에 대한 중요한 정보를 제공합니다.
미래에 이 모델은 쌍성계의 두 구성 요소를 공전하는 외계 행성인 타투인형 행성의 기원을 설명하는 데 사용될 수 있습니다.
2021-07-28 14:36:42
작가: Vitalii Babkin