원시 행성

1. 개요

원시 행성은 미행성체들이 중력으로 뭉쳐져 형성된 수백 킬로미터 크기의 천체로, 행성 형성의 중간 단계에 해당한다. 별 주위의 원시 행성계 원반에서 미행성체들이 충돌하여 원시 행성이 생성되고, 이들이 다시 충돌하여 행성을 이루는 과정을 거친다. 태양계에서는 세레스, 팔라스, 베스타 등이 원시 행성으로 추정되며, 달은 지구와 원시 행성의 충돌로 형성되었다는 가설이 있다. 2013년에는 HD 100546 주변에서 원시 행성으로 추정되는 천체가 관측되었으며, PDS 70 b, c, HD 97048 b, HD 169142 b 등 원시 행성으로 확인된 천체도 존재한다. 원시 행성은 폭주 성장과 과점 성장을 거쳐 거대 충돌을 통해 행성으로 진화하며, 목성의 궤도 공명과 역학적 마찰 등이 행성 궤도에 영향을 미친다.

2. 미행성체 가설

미행성체는 먼지, 암석 및 기타 물질이 중력으로 뭉쳐져 형성된 천체로, 크기는 수 미터에서 수백 킬로미터에 이른다.

체임벌린-몰턴 미행성체 가설과 빅토르 사프로노프의 이론에 따르면, 별 주위를 공전하는 가스와 먼지로 이루어진 원시 행성계 원반에서 미행성체가 형성된다. 미행성체는 중력의 작용으로 점차 더 큰 덩어리로 뭉쳐지며 성장한다.

미행성체의 충돌로 수백 개의 더 큰 행성 원시체가 생성되었고, 이들은 수억 년에 걸쳐 서로 충돌하며 성장했다. 초기 충돌은 첫 번째 "세대"의 원시체를 더 적지만 더 큰 원시체로 구성된 두 번째 세대로 대체했고, 이들은 다시 충돌하여 더 적지만 훨씬 더 큰 원시체의 세 번째 세대를 만들었다. 결국 소수의 원시체만 남아 이들이 충돌하여 행성이 만들어졌다.

초기 원시 행성은 더 많은 방사성 원소를 가지고 있었으며, 방사성 붕괴, 충돌, 중력 압력으로 인한 가열로 인해 내부가 부분적으로 녹았다. 이 과정에서 더 무거운 화학 원소는 중심부로 가라앉고, 더 가벼운 원소는 표면으로 떠올랐는데, 이러한 과정을 행성 분화라고 한다. 일부 운석의 조성을 통해 일부 소행성에서도 행성 분화가 일어났음을 알 수 있다.

3. 태양계의 원시 행성

태양계에서는 미행성들의 충돌로 수백 개의 행성 원반이 생성되었는데, 이들은 세레스와 명왕성 정도의 크기였을 것으로 추정된다. 이 천체는 10²² 에서 10²³ kg의 질량, 2000km~3000km의 지름을 가지고 있었다.

거대 충돌 가설에 따르면, 달은 태양계의 형성 및 진화 초기에 테이아라는 가상의 원시 행성과 지구의 거대한 충돌로 형성되었다.

태양계 내부에 비교적 온전하게 남아있는 원시 행성으로는 소행성 세레스, 팔라스, 베스타가 있다. 프시케는 다른 물체와의 격렬한 충돌로 바깥쪽의 암석층이 벗겨진 채 살아남은 것으로 보이며, 소행성 메티스 또한 프시케와 유사한 기원을 가졌을 수 있다. 소행성 루테티아 역시 원시 행성과 유사한 특징을 가지고 있다. 카이퍼 벨트의 왜행성 또한 원시 행성으로 불리기도 한다.

철 운석이 지구에서 발견된 것으로 보아, 한때 소행성대에 금속 핵을 가진 다른 원시 행성들이 있었고, 이들이 붕괴되면서 이러한 운석의 기원이 되었을 가능성이 높다.

4. 태양계 외부의 원시 행성

2013년 2월, 천문학자들은 HD 100546 별 주위의 가스와 먼지 원반에서 형성되는 원시 행성 후보를 처음으로 직접 관측했다. 이후 관측 결과는 가스 원반에 여러 개의 원시 행성이 존재할 수 있음을 시사한다.

AB 마차부자리의 가스 원반에 위치한 또 다른 원시 행성 AB Aur b는 가스 행성의 가장 초기 형성 단계에 있을 수 있다. AB Aur b는 확인된 가장 큰 외계 행성 중 하나이며, 해왕성이 지구의 태양으로부터 떨어진 거리의 세 배나 되는 먼 궤도를 가지고 있다. AB Aur b에 대한 관측은 스바루 망원경과 허블 우주 망원경으로 이루어졌으며, 행성이 어떻게 형성되는지에 대한 기존의 생각을 뒤집을 수 있다.

원시 행성 원반의 고리, 틈, 나선, 먼지 농축 및 그림자는 원시 행성에 의해 발생할 수 있지만, 이러한 구조는 완전히 이해되지 않았으므로 원시 행성의 존재에 대한 확실한 증거로 간주되지는 않는다. 원시 행성이 원반에 미치는 영향을 연구하는 새로운 방법 중 하나는 가스 속도 지도의 형태로 원시 행성 원반에 대한 원자 및 분자 천체 물리학 관측이다. HD 97048 b는 가스 속도 지도에서 꺾인 형태로 원반 운동학에 의해 감지된 최초의 원시 행성이다.

4.1. 확인된 원시 행성 목록

4.2. 확인되지 않은 원시 행성

LkCa 15 b, LkCa 15 c, LkCa 15 d, HD 100546 b, 고메즈 햄버거 b, AB Aur b 등은 원시 행성 후보로 제안되었으나, 아직 확실하게 확인되지 않았거나 논쟁의 여지가 있다. 원시 행성의 확실한 탐지는 어렵다. 원시 행성은 일반적으로 가스가 풍부한 원시 행성 원반에 존재하는데, 이러한 원반은 원반 파편화라는 과정을 통해 과밀도를 생성할 수 있다. 이러한 파편은 분해되지 않을 만큼 작아서 원시 행성의 모습과 유사할 수 있다.

5. 원시 행성에서 행성으로

체임벌린-몰턴 미행성체 가설과 빅토르 사프로노프의 이론에 따르면, 행성계 초기에는 가스와 먼지로 이루어진 원시 행성 원반이 별을 공전한다. 이러한 물질에 중력이 작용하여 점차 큰 덩어리를 형성하고, 일부는 미행성체 크기에 도달한다.

미행성체의 충돌로 수백 개의 더 큰 행성 원시체가 생성되었고, 이들은 수억 년에 걸쳐 서로 충돌했다. 이 충돌 과정에서 원시체들은 더 적지만 더 큰 원시체들로 통합되었고, 결국 소수의 원시체만 남아 행성 형성을 완료했다.

초기 원시 행성은 더 많은 방사성 원소를 가지고 있었으며, 시간이 지나면서 방사성 붕괴로 인해 그 양이 감소했다. 방사성, 충돌, 중력 압력으로 인한 가열은 원시 행성이 부분적으로 녹게 만들었다. 녹은 부분에서 무거운 화학 원소는 중심부로 가라앉고, 가벼운 원소는 표면으로 떠오르는 행성 분화 과정이 일어났다. 일부 운석의 조성을 통해 일부 소행성에서도 분화가 일어났음을 알 수 있다.

미행성체는 폭주 성장과 과점 성장을 거쳐 원시 행성으로 성장하며, 이후 원시 행성 간의 거대 충돌을 통해 현재의 태양계 행성이 형성되었을 것으로 추측된다.

5.1. 폭주 성장과 과점 성장

행성 형성 초기 단계에서 미행성체는 폭주 성장이라는 방식으로 커진다. 이는 다른 미행성체보다 빨리 성장하는 미행성체가 가속적으로 성장을 빠르게 하는 과정으로, 이를 통해 미행성체는 행성의 배아 또는 원시 행성이라고 불리는 크기까지 거대해진다. 천체가 어느 정도 질량에 도달하면 성장 속도에 브레이크가 걸리게 되며, 이윽고 비슷한 크기의 원시 행성이 다수 늘어서는 상태(과점 성장)가 된다. N체 시뮬레이션에 기반한 계산에서는, 과점 성장에 의해 지구형 행성의 범위에 생기는 원시 행성은 현재의 태양계 행성보다 질량이 작고 수가 많을 것으로 예측되므로, 태양계의 현상을 설명하기 위해서는 과점 성장 후의 원시 행성 간의 거대 충돌을 고려해야 한다고 생각된다.

5.2. 거대 충돌

N체 시뮬레이션에 따르면, 과점 성장 이후 원시 행성 간의 거대 충돌을 통해 현재 태양계 행성이 형성되었을 것으로 예측된다. 암석 행성의 과점 성장은 원시 행성계 원반에 가스나 미행성이 남아있는 상태에서 진행되어 궤도가 원형화되지만, 이후 이들이 사라지면서 궤도가 불안정해져 거대 충돌이 일어난다. 지구, 금성과 같은 질량이 큰 암석 행성은 이러한 거대 충돌을 통해 탄생했을 것으로 추측된다.

하지만 위와 같은 이론으로는 태양계 암석 행성이 진원에 가까운 궤도를 가지고 있다는 사실을 설명하기 어렵다. 궤도 교차는 궤도 이심률을 증대시키지만, 이 시대에는 이심률을 낮추는 원시 행성계 원반은 거의 소실되어 있다. 따라서 원반 가스가 어느 정도 남아있는 시대에 목성의 영년 공명이 원시 행성의 궤도를 타원화함으로써 거대 충돌이 유발되었다는 설명도 제안되고 있다. 또한, 원시 행성 간의 거대 충돌로 주변에 다수의 파편이 흩뿌려지고, 그 파편과의 역학적 마찰에 의해 행성의 궤도 이심률과 궤도 경사각이 낮아졌다는 설도 제안되고 있다.

5.3. 거대 충돌 이후

태양계 암석 행성의 궤도가 원형에 가깝다는 사실은 기존 이론으로는 설명하기 어렵다. 궤도 교차는 궤도 이심률을 증대시키지만, 이 시대에는 이심률을 낮추는 원시 행성계 원반은 거의 소실되어 있기 때문이다. 따라서 다음과 같은 대안 가설들이 제시되었다.

* 원반 가스가 어느 정도 남아있는 시기에 목성의 영년 공명이 원시 행성의 궤도를 타원형으로 만들어 거대 충돌을 유발했다는 가설.
* 원시 행성 간의 거대 충돌로 인해 주변에 흩뿌려진 다수의 파편과의 역학적 마찰에 의해 행성의 궤도 이심률과 궤도 경사각이 낮아졌다는 가설.