타원궤도 가스행성

3. 궤도 형성에 관한 이론

태양계의 행성들은 태양을 거의 원에 가까운 궤도로 공전하지만, 외계 행성들은 이심률이 큰 타원 궤도를 그리는 경우가 많다. 이러한 궤도 왜곡 현상은 기존 태양계 행성 이론에 대한 재검토를 요구하게 되었다.^[11]

타원 궤도 가스 행성의 궤도 형성에 대한 이론은 다음과 같다.

컴퓨터 시뮬레이션 연구 결과, 모든 행성계는 처음 탄생했을 때는 원에 가까운 궤도를 돌지만, 거대 가스 행성이 3개 이상 생겨날 경우 시간이 지나면 궤도가 일그러져 가스 행성 중 하나는 행성계 바깥으로 튕겨 나가고, 남은 2개의 가스 행성도 이심률이 매우 큰 궤도를 그리게 된다. 이는 세 행성 사이에서 공전 중 에너지가 교환되면서 특정 행성에 에너지가 집중되기 때문이다. 거대 가스 행성이 2개 이하인 경우(우리 태양계)는 이 '일정한 기간'이 일반적인 항성의 수명보다 훨씬 길기 때문에 실질적으로 안정된 원 궤도를 계속 유지할 수 있다.^[11]

4. 뜨거운 목성과의 관련성

태양계의 행성들은 원에 가까운 궤도를 돌고 있지만, 타원궤도 가스행성들은 이심률이 큰 궤도를 가지고 있다. 컴퓨터 시뮬레이션 연구에 따르면, 행성계가 처음 탄생했을 때는 원에 가까운 궤도를 돌지만, 거대 가스 행성이 3개 이상 생겨나면 시간이 지나면서 궤도가 일그러지기 시작한다. 이로 인해 가스 행성 중 하나는 행성계 바깥으로 튕겨 나가고, 남은 두 가스 행성은 이심률이 매우 큰 궤도를 가지게 된다.^[11]

이러한 현상은 세 행성 사이에서 공전 중 에너지가 교환되면서 특정 행성에 에너지가 집중되기 때문에 발생한다. 거대 가스 행성이 2개 이하인 경우(태양계 등)에는 이러한 현상이 발생하기까지 매우 오랜 시간이 걸려, 항성의 수명보다 길기 때문에 안정된 원궤도를 유지할 수 있다.

원시 행성계 원반과의 중력 작용으로 행성 궤도가 망가진다는 이론도 있지만,^[12] 이심률 0.4 이상의 극단적인 경우를 설명하기 어렵다는 문제점이 있다.^[11][13] 쌍성계 행성의 경우 짝별의 중력으로 궤도가 일그러질 수 있지만,^[14] 홑별 주위를 도는 타원궤도 행성들이 많다는 점에서 한계가 있다.

주성을 가까이 공전하는 뜨거운 목성은 이심률이 큰 행성의 궤도가 변화한 것이라는 설이 있다. 이심률이 큰 행성이 근점에서 항성에 0.05au 정도까지 접근하는 길쭉한 타원 궤도를 가질 경우, 주성으로부터의 조석력에 의해 근점 부근에서 공전에 제동이 걸린다. 그 결과, 근점 거리를 유지한 채 원점 거리만 차례로 작아져, 최종적으로는 반경이 작은 원 궤도에 정착한다는 것이다. 예를 들어 HD 80606 b는 근점 거리가 0.03au, 원점 거리가 0.87au인 극단적인 타원 궤도를 가지고 있으며, 궤도 반경 0.03au의 뜨거운 목성으로 변해가는 천체일 수 있다.

하지만 이 모델에는 문제점이 있다. 조석력은 거리가 멀어지면 급격히 약해지기 때문에(거리의 세제곱에 반비례), 충분한 제동을 얻으려면 주성에 더 가까운 궤도를 유지해야 한다. 예를 들어, 뜨거운 목성으로 변해가는 천체의 바깥쪽에 다른 거대 행성이 존재하면, 그 중력으로 인해 안쪽 행성의 근점 거리가 변하여 주성에서 너무 멀어질 경우 조석력이 거의 작용하지 않게 된다. 또한, 주성에서 약간 떨어진 위치(0.1au 이상)에서도 뜨거운 목성이 발견되지만, 이를 설명하기 위해서는 다른 모델이 필요하다.

5. 다중 행성계와의 혼동

일부 관측된 "타원 궤도 가스 행성"은 실제로는 거의 원에 가까운 궤도를 가진 다중 행성계일 수 있다.^[6][7] 이러한 행성들은 대부분 도플러 분광법을 이용한 시선 속도 측정으로 발견되는데, 원형 궤도의 경우 시선 속도 변화는 사인 곡선을 그리지만, 타원 궤도는 이와 다른 패턴을 보여 타원 궤도 행성으로 인식된다. 하지만, 여러 행성의 영향으로 시선 속도 변화가 합쳐져 왜곡된 파형이 나타날 수 있으며, 이는 타원 궤도와 유사하게 보일 수 있다. 시선 속도 샘플링이 부족한 경우(관측 횟수가 적거나, 공전 주기의 일부만 관측하는 등)에는 단일 타원 궤도 행성과 다중 행성계를 구별하기 어렵다.^[7] 이럴 때, 관측 결과를 가장 간단하게 설명하는 모델(오컴의 면도날)인 단일 타원 궤도 행성으로 해석하는 경향이 있다.

하지만, 관측이 누적되고 분석 기술이 발전하면서, 처음에는 타원 궤도 행성으로 여겨졌던 천체가 실제로는 이심률이 낮은 다중 행성계로 밝혀지기도 한다. 예를 들어, 2013년에는 단일 타원 궤도 행성으로 추정되던 82개 행성계를 재조사한 결과, 9개 행성계가 다중 행성 모델로 더 잘 설명된다는 사실이 밝혀졌다.^[8]

이처럼 다중 행성계와 타원 궤도 행성이 혼동되는 경우는, 단일 행성으로 해석했을 때 이심률이 0.5 이하인, 비교적 작은 파형 왜곡이 나타나는 경우에 주로 발생한다. 반면, 이심률이 0.5 이상으로 매우 큰 궤도를 가진 행성은 다중 행성계로 오인될 가능성이 거의 없다.^[7]

6. 타원 궤도 가스 행성이 지구형 행성 형성에 미치는 영향

뜨거운 목성들과 같이 타원궤도 가스행성은 지구와 비슷한 암석 행성이 생겨날 가능성을 막는다. 그 이유는 목성과 같이 무거운 행성은 시간이 충분할 경우 지구 정도 질량의 행성을 행성계 밖으로 날려 버리기 때문이다.^[1] 현재 우리 은하에 있는 모든 항성들 중 약 7퍼센트가 이 타원궤도 가스행성을 거느리고 있는 것으로 알려져 있으며,^[1] 이들의 존재는 뜨거운 목성들보다 더 흔하다.^[1]

참조

_[1] 논문 Making other earths: dynamical simulations of terrestrial planet formation and water delivery 2004-03
_[2] 논문 Old, Rich, and Eccentric: Two Jovian Planets Orbiting Evolved Metal-Rich Stars 2009-06
_[3] 논문 Eccentricity Evolution for Planets in Gaseous Disks 2003-03-10
_[4] 논문 Planet-Disk Symbiosis 2004-05
_[5] 논문 Chaotic variations in the eccentricity of the planet orbiting 16 Cygni B 1997-03
_[6] 논문 Truly eccentric – I. Revisiting eight single-eccentric planetary systems 2019-04-21
_[7] 논문 How eccentric orbital solutions can hide planetary systems in 2:1 resonant orbits 2009-12-29
_[8] 논문 Forever alone? Testing single eccentric planetary systems for multiple companions 2013-08-22
_[9] 논문 Dynamical and Observational Constraints on Additional Planets in Highly Eccentric Planetary Systems 2007-07-31
_[10] 서적 系外惑星の事典 朝倉書店
_[11] 서적 系外惑星 東京大学出版会
_[12] 저널 Eccentricity Evolution for Planets in Gaseous Disks http://www.journals.[...] The Astrophysical Journal
_[13] 저널 Planet-Disk Symbiosis http://adsabs.harvar[...] The Astrophysical Journal
_[14] 서적 Chaotic variations in the eccentricity of the planet orbiting 16 Cygni B http://www.nature.co[...] 네이처