행성은 어떻게 형성될까?

행성은 어떻게 형성될까?

지난 30년 동안 과학자들은 은하수에서 4,000개 이상의 행성을 발견했습니다. 데이터는 각 별이 하나 이상의 행성을 수반한다는 것을 암시하며 이는 행성 형성이 별 형성의 자연스러운 부분일 가능성이 있음을 의미합니다. 한때는 행성 형성 과정이 매우 드물기 때문에 태양에만 행성이 있다고 생각했지만 지금은 행성의 수가 별보다 많다는 것이 이해되고 있습니다. 행성은 별 주위에 어떻게 형성될까요?

행성 재료를 얻는 방법

많은 과학과 마찬가지로 우리의 상식적인 직관은 틀릴 수 있습니다. 이상하게 들릴지 모르지만 실제로 큰 별은 작은 별보다 수명이 짧습니다. 수백만 년의 차이가 아닙니다. 적색 왜성이라고 불리는 가장 작은 별은 수천억 년, 아마도 수조 년 동안 살 수 있습니다. 이것은 대략적인 추정치입니다. 수명이 너무 길어 전체 우주에 오래된 적색 왜성이 없기 때문입니다. 작은 별보다 더 많은 수소 연료를 포함하고 있음에도 불구하고 가장 큰 별은 평균적으로 1억 년 미만을 삽니다. 흥미롭게도 별의 수명을 결정하는 것은 수소의 양이 아니라 더 무거운 원소로 융합되는 속도입니다. 질량이 큰 별은 중심 온도가 더 높고 질량이 작은 별보다 더 빠른 속도로 수소를 연소합니다. 가장 밝은 별은 빨리 살다가 일찍 죽지만 슬프게 보입니다. 그렇지 않으면 우리의 태양과 행성이 여기에 없을 것입니다.

 

질량이 큰 별의 중심 온도가 높을수록 질량이 작은 별보다 중심에 있는 무거운 원소의 다양성이 훨씬 더 높다는 것을 나타냅니다. 마그네슘과 철과 같은 많은 금속은 무거운 별에서 나옵니다. 무거운 별이 수소를 다 써버리고 그것의 대부분을 더 무거운 원소로 바꾸면 별은 자체 중력에 의해 붕괴하기 시작합니다. 이 현상은 일반적으로 별의 핵에서 철이 형성될 때 즉시 발생합니다. 철이 더 무거운 원소로 융합될 때 방출되는 것보다 더 많은 에너지를 소비하기 때문입니다. 철은 별의 에너지를 흡수하는 것이 아니라 별의 에너지를 흡수합니다. 별이 붕괴함에 따라 별의 외층이 핵에서 분출되어 강력한 초신성 폭발이 일어납니다. 초신성 폭발 중에 방출되는 에너지는 은하수에 있는 다른 모든 별의 총 에너지를 초과할 수 있어 우주에서 가장 밝은 사건 중 하나가 됩니다. 에너지가 너무 강해서 철이 매우 짧은 시간에 금이나 은과 같은 더 무거운 원소로 융합될 수도 있습니다.

 

초신성 폭발이 없다면 무거운 별의 무거운 원소는 우주로 흩어질 방법이 없을 것입니다. 결국 한때 거대한 별을 만들었던 동일한 물질이 자체 태양계를 가진 완전히 새로운 별을 형성하는 데 사용될 것입니다. 천문학자들은 태양의 구성에 따라 우리 별이 2세대 또는 3세대 별이라고 생각합니다. 즉, 태양과 그 행성이 형성되기 전에 하나 또는 두 개의 별이 초신성 폭발을 일으켰다는 의미입니다.

스타더스트에서 지구로

유성에서 행성으로 어떻게 가나요? 그 과정은 과거에도 그랬고 지금도 여전히 다소 불가사의합니다. 별이 형성되면 원형 행성 디스크라고 하는 항성 물질의 거대한 원반이 주위에 형성됩니다. 이 소용돌이치는 스타더스트 디스크에서 행성과 위성이 형성되기 시작합니다. 수십 년 동안 천문학자들은 실제로 태양이 행성을 동반하는 유일한 별이라고 생각하기 때문에 태양이 독특하다고 생각했습니다. 그것은 천문학자들이 이용할 수 있는 어떤 과정도 다른 별 주변에서 일어날 가능성이 없기 때문입니다. 그러나 1996년 천문학자들은 우리 태양이 아닌 다른 항성을 공전하는 최초의 행성 발견을 확인했다고 발표했습니다. 이 발견은 우리가 볼 수 있는 모든 별이 자신의 행성을 동반할 가능성이 있음을 밝혀낸 외계 행성에 대한 20년 간의 집중적인 연구에 따른 것입니다.

 

망원경은 별 형성 지역의 젊은 별 주위에 행성 형성 디스크의 존재를 발견하고 확인했습니다. 이러한 발견은 항성 물질의 원반에서 별 주위에 행성이 형성된다는 것을 확인하지만 결과적인 관측은 답보다 더 많은 질문을 제기합니다. 특히 원시행성 원반은 그리 오래 존재하지 않는 경향이 있다는 것이 밝혀졌습니다(천문학). 평균적으로 원시행성 원반은 주변 공간으로 사라지거나 형성되는 별이 되기까지 천만년밖에 지속되지 않습니다. 이것은 특히 지구 자체의 많은 지질학적 과정이 전개되는 데 훨씬 더 오랜 시간이 걸렸을 수 있다는 점을 고려할 때 태양계가 단 1000만 년 안에 형성되었어야 한다는 것을 의미합니다.

 

이제 과제는 유성이 그 창에서 전체 태양계를 만든 방법을 이해하는 것입니다.

 

현재 행성 형성 모델은 간단합니다. 그것은 별 주위를 도는 작은 먼지 입자에서 시작되었습니다. 이 작은 입자들 사이의 중력은 더 큰 물체를 형성하기 위해 그들을 함께 끌어당길 만큼 충분히 강하지 않았기 때문에 정전기력은 첫 번째 큰 암석을 형성하기 위해 그들을 함께 묶어야 했습니다. 먼지 입자는 전하를 띠기 때문에 음전하를 띤 입자는 양전하를 띤 입자에 끌리고 그 반대도 마찬가지입니다. 그러나 물체가 너무 크면 정전기력이 충분하지 않습니다. 다행스럽게도 우리에게는 이런 일이 일어나자마자 대신할 수 있는 중력이 있습니다. 일단 물체가 중력을 포함할 만큼 충분히 커지면 행성은 더 무거운 물체가 서로 충돌하고 달라붙어 중력이 증가하고 더 많은 물질을 끌어당기면서 기하급수적으로 커집니다. 일단 행성이 형성되면 원래 원형 행성 디스크가 손상되지 않았는지 여부에 관계없이 새로운 프로세스가 시작됩니다.

행성 충돌

우리 태양계에서도 천문학자들은 원시행성 원반에 100개 이상의 행성이 있는 곳이 한때는 있었을 것이라고 생각합니다. 우리는 더 이상 태양 주위에 그렇게 많은 행성이 없습니다. 왜냐하면 현재의 행성을 형성하기 위해서는 행성들이 서로 충돌해야 했기 때문이다. 일반적으로 큰 행성은 충돌할 때 작은 행성을 흡수하여 큰 행성을 더 크게 만드는 경향이 있습니다. 우리 태양계의 모든 행성은 이 과정을 거치는 것으로 생각되며, 기체 행성은 필연적으로 암석 행성보다 더 많은 행성과 충돌하고 흡수합니다. 지구조차도 천문학자들이 달 형성의 결과라고 믿는 주요 충돌에서 살아남아야 했습니다. 약 45억년 전, 이 젊은 지구는 테이아라고 불리는 화성 크기의 행성과 충돌했습니다. 두 행성 모두 상대적으로 크기 때문에 젊은 지구는 부서질 위험이 있습니다. 그러나 다행스럽게도 테이아는 정확한 각도로 충돌하여 우리 세계의 일부만 산산조각 내고 물질을 궤도로 보냈습니다. 아주 짧은 시간 안에 지구 궤도에 고리가 생기고 고리에서 나온 행성 잔해가 결국 달을 형성할 것입니다.