스페이스 클럽 세계가 충돌한다! 제임스 웹 우주 망원경은 행성들이 충돌할 때 어떤 일이 일어나는지 조사합니다

[발사통제동]

"이번이 우리가 이 하위 클래스, 즉 극한 잔해 디스크라고 부르는 것을 진정으로 이해할 수 있을 만큼 충분한 시스템을 모은 첫 번째 기회입니다."

(이미지 출처: NASA, ESA, CSA, 조셉 올름스테드 (STScI))

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NASA의 제임스 웹 우주 망원경(JWST)을 이용해 천문학자들은 세계들이 격렬하게 충돌하는 난류 행성계를 조사하고 있습니다. 이 조사는 지구와 화성 크기의 행성인 테이아 간의 가상의 충돌에 대해 밝혀줄 수 있는데, 이 천체는 수십억 년 전 우리 행성 주변에 물질을 분출해 달을 형성한 것으로 여겨집니다.

젊은 행성계는 악명 높게 폭력적이며, 가스와 먼지로 이루어진 원반인 원시행성 원반으로 둘러싸인 젊은 별들이 특징입니다. 이 원반들 안에서는 소행성 천체(planetesimals)라 불리는 작은 천체들이 충돌하여 서로 달라붙어 행성 형성 과정을 시작합니다. 하지만 NASA의 현재 은퇴한 스피처 우주망원경은 일반보다 훨씬 더 격렬한 원시행성 원반 계열, 이른바 극한 잔해 원반이 존재한다는 사실을 발견했습니다. 이 시스템들은 젊은 별 근처에 유난히 많은 따뜻한 먼지를 포함하고 있으며, 이는 태양계 내 암석 행성들이 차지하는 영역과 유사합니다.

극심한 잔해 원반을 조사하는 것은 매우 희귀하기 때문에 도전적입니다. 과학자들은 이러한 시스템이 별 중 약 1% 정도에 존재한다고 추정합니다. 우리 태양이 이 희귀한 별 중 하나였을 것으로 추정됩니다.

https://cdn.jwplayer.com/previews/eafwiXkz

Fly to a stunning stellar nursery with James Webb Space Telescope views

과학자 팀은 JWST의 놀라운 관측력을 이용해 21개의 극한 잔해 원반을 조사하기 시작했습니다. 여기에는 스피처의 아카이브 데이터에서 5개 환경 중 4개, JWST에서 16개 환경에 대한 후속 조사, 그리고 12개의 새로 관측된 디스크가 포함되었습니다

"이번이 우리가 극단적인 잔해 디스크라고 부르는 하위 분류를 진정으로 이해할 수 있을 만큼 충분한 시스템을 모은 첫 사례입니다,"라고 콜로라도 볼더에 위치한 우주과학연구소의 팀장 케이트 수는 성명에서 말했다. "JWST 이전에는 정보가 제한적이었어요. 우리는 이들이 베가와 포말하우트 같은 일반적인 냉기 잔해 원반과는 매우 다르고 이상하다는 것을 알고 있었습니다.

"이제 더 많은 데이터가 생겼으니, 이 원반들이 행성 형성과 진화에 무엇을 의미하는지 정확히 알 수 있어."

극도로 폭력적이고 드문 일입니다

연구진은 극한 잔해 원반에 공통적으로 존재하는 세 가지 특성이 있음을 발견했습니다. 이들은 '고전적' 원시행성 원반에서 발견되는 먼지 입자보다 더 작고, 따뜻한 먼지 농도가 높으며, 밝기의 불규칙한 변화를 포함하고 있습니다.

다음 단계는 이러한 특징들을 움직이는 원인을 찾는 것이었습니다. 이를 위해 연구팀은 자신들이 조사한 원반을 구성하는 광물을 조사했고, 이들이 규소가 풍부한 광물과 실리카가 부족한 것으로 분류될 수 있음을 발견했습니다.

이를 통해 과학자들은 해당 원반에서 어떤 충돌이 발생하고 충돌 파편을 발생시키는지 알 수 있었습니다. 이러한 충돌은 또한 이들 시스템에서 관찰되는 밝기 변동성을 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.

"JWST로 그들의 중적외선 방출과 아름다운 스펙트럼 특징을 직접 볼 수 있었던 것만으로도 그들의 조성을 확인할 수 있었던 것이 저에게 가장 흥미로운 일이었습니다,"라고 헝가리 부다페스트 콘콜리 천문대의 팀원 아그네스 코스팔은 말했습니다. "이 행성 배아들을 직접 연구할 다른 방법이 없습니다. 너무 작기 때문입니다."

JWST의 극한 잔해 원반 조성 조사. (이미지 출처: NASA, ESA, CSA, 조셉 올름스테드 (STScI))

연구진은 실리카가 풍부한 원반이 화성 크기의 물체가 고에너지 충돌을 통해 생성되며, 대부분의 물질이 기화된다고 생각합니다. 규소가 부족한 원반은 달 크기의 천체들이 서로 스치면서 에너지가 낮은 사건들로 인해 생성됩니다.

그들의 샘플에 따르면, 극한 잔해 원반의 약 3분의 1은 규소가 풍부한 원반입니다. 이들은 3억 년 미만의 별들 주변에서만 발견되었습니다.

반면, 규소가 부족한 원반은 다양한 연령대의 별 주변에서 발견되었습니다. 또한 실리카가 풍부한 원반보다 밝기 변동성이 더 큰 경우도 있습니다. 연구진은 이 밝기 변동성이 시스템 내 거주자들의 궤도 변화를 통해 신선한 잔해가 빠르게 진화하면서 발생한다고 제안합니다.

초기 태양계 전반의 자기장을 보여주는 예시. (이미지 출처: 에르난 카넬라스)

이 연구 결과는 이제 태양계에 적용하여 46억 년에 걸친 진화의 더 나은 그림을 그릴 수 있습니다. 태양계 초기 시대를 재현한 시뮬레이션에 따르면, 지구와 같은 지구 행성은 처음 수억 년 이내에 형성될 것으로 보입니다.

이는 관측된 규소가 풍부한 극한 잔해 원반의 연대와 일치하며, 태양이 형성된 지 약 1억 년 후에 지구와 달이 형성된 것으로 추정되는 시간과도 일치합니다.

태양계는 또한 후기 중폭력기(Late Heavy Bombardment)라 불리는 시기에 규소가 부족한 극한 원반 단계를 겪었을 가능성이 큽니다. 이 시기에 과학자들은 충돌로 인해 태양계의 가스 거성들이 태양 근처에서 현재 위치로 이동했을 가능성이 있다고 생각합니다.

"암석 행성들이 어떻게 형성되고 거대 행성이 진화했는지는 태양계 형성의 더 큰 이야기의 일부입니다. "모두 하나의 이야기야," 수가 말했다. "극한 잔해 원반에 대한 우리의 연구는 현재 우리가 이해하고 있는 큰 그림을 하나로 묶는 데 도움을 줍니다."

이 연구팀은 목요일(10월 1일) The Astrophysical Journal에 게재되었습니다.

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