'사이즈 애매한 슈퍼지구' 흔치 않은 이유
'사이즈 애매한 슈퍼지구' 흔치 않은 이유
  • 함예솔
  • 승인 2020.08.21 15:05
  • 조회수 5893
  • 댓글 1
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NASA’s Exoplanet Archive에 따르면 과학자들이 명확히 확인한 태양계 밖 외계행성은 8월 13일 기준 4,201개입니다. 이 행성들 중 일부는 여러 개의 항성을 공전하기도 합니다. 지구는 태양을 공전하는데 365.25일이 걸리는데요. 어떤 행성들은 며칠이 채 안 걸리는 경우도 있습니다. 원 궤도로 공전하는 행성을 비롯해 매우 긴 타원형 궤도로 그들의 별 주위를 공전합니다. 

 

그런데 행성의 질량과 직경에 있어서는 어느 정도의 한계가 존재합니다. 태양계 내의 행성 뿐만 아니라 외계행성 공히 그렇습니다.

 

행성 천체물리학자인 나탈리 힌켈(Natalie Hinkel)은 미국 텍사스주 남서연구소(Southwest Research Institute) 선임 연구자이자 애리조나 주립대학교의 외계생명체 탐사 프로젝트인 NExSS(Nexus for Exoplanet System Science) 공동 연구원인데요. 그녀가 <The Conversation>에 기고한 내용에 따르면 행성 크기의 한계는 물리적 현상 때문이라고 합니다. 나탈리 힌켈은 "나는 행성 천체물리학자로서 무엇이 행성에서 생명체를 살아갈 수 있게 하는지 이해하려고 노력한다"며 "나는 항성과 외계행성 사이의 화학적 연관성과 서로 다른 크기의 행성 내부 구조와 광물이 서로 어떻게 비교될 수 있는지 살핀다"고 말합니다. 

이 스케치는 외계행성의 계도를 보여준다. 행성은 원시행성계원반(Protoplanetary disk)이라 불리는 가스와 먼지의 소용돌이 원반에서 태어난다. 이 원반들은 목성과 같은 거대한 행성들 뿐만 아니라 지구와 해왕성 크기 사이의 작은 행성들을 만들어 낸다. W. M. 켁 천문대(W. M. Keck Observatory)와 NASA의 케플러 미션 데이터를 이용해 연구원들은 이 작은 행성들을 두 가지 크기의 그룹으로 나눌 수 있다는 걸 발견했다. 암석형의 지구와 비슷한 행성과 슈퍼지구(super-Earths), 그리고 기체로 이뤄진 미니-해왕성(mini-Neptune).사진. 출처: NASA / Ames Research Center / JPL-Caltech / Tim Pyle
이 스케치는 외계행성의 계도를 보여준다. 행성은 원시행성계원반(Protoplanetary disk)이라 불리는 가스와 먼지의 소용돌이 원반에서 태어난다. 이 원반들은 목성과 같은 거대한 행성들 뿐만 아니라 지구와 해왕성 크기 사이의 작은 행성들을 만들어 낸다. W. M. 켁 천문대(W. M. Keck Observatory)와 NASA의 케플러 미션 데이터를 이용해 연구원들은 이 작은 행성들을 두 가지 크기의 그룹으로 나눌 수 있다는 걸 발견했다. 암석형의 지구와 비슷한 행성과 슈퍼지구(super-Earths), 그리고 기체로 이뤄진 미니-해왕성(mini-Neptune).사진. 출처: NASA / Ames Research Center / JPL-Caltech / Tim Pyle

지구형 행성과 목성형 행성 사이 슈퍼지구

 

우리 태양계에는 두 종류의 행성이 존재합니다. 지구처럼 작고, 암석으로 이뤄진 행성과 목성처럼 크고, 기체로 이뤄진 행성입니다. 지금까지 천문학자들이 알아낸 바에 따르면 대부분의 행성들은 이 두 가지 범주에 속합니다.

 

그런데 '슈퍼지구'라 불리는 천체가 있습니다. 이 녀석은 좀 특별한데요. 지구형 행성과 목성형 행성의 중간쯤에 위치하는 특징을 보이기 때문입니다. 슈퍼지구의 질량은 지구보다 크지만 천왕성이나 해왕성 같은 행성보다는 작습니다. 다만, 슈퍼지구의 분류는 질량만으로 나누기 때문에 슈퍼지구의 표면상태는 어떤지 거주가능성은 어떤지는 알 수 없습니다.그래서 슈퍼지구는 지구처럼 암석으로 이뤄져 있을수도 있지만 목성처럼 수소와 헬륨으로 만들어졌을 수도 있습니다. 

 

케플러 미션 등 행성탐사 미션이나 TESS(Transiting Exoplanet System Satellite)의 데이터를 보면 행성들은 서로 크기가 다릅니다. 그런데 앞서 언급한 '슈퍼지구(super-Earth)' 크기를 충족하는 행성은 많지 않습니다. 그렇다면 왜 우주에는 슈퍼지구의 정의를 충족하는 행성이 많지 않은걸까요? 

 

행성이 형성되고 있을 당시 상황에 따라 달라져

 

나탈리 힌켈에 따르면 지구형행성과 목성형 행성들 간의 차이와 슈퍼지구와의 격차는 행성이 형성되고 있을 당시의 행성의 대기와 관련 있다고 말합니다. 

NASA 스피처 우주망원경을 사용하는 천문학자들은 어린 별 주위를 둘러싼 원시행성계의 차이에 대한 가장 상세한 데이터를 수집했다. 중심에 놓인 별들은 내부 원반에서 물질을 끌어당기고 있따. 내부 원반과 두꺼운 외부 우너반 사이의 간격에서는 거대가스행성이 만들어지고 있는 것으로 추측된다. 출처: NASA/JPL-Caltech
NASA 스피처 우주망원경을 사용하는 천문학자들은 어린 별 주위를 둘러싼 원시행성계의 차이에 대한 가장 상세한 데이터를 수집했다. 중심에 놓인 별들은 내부 원반에서 물질을 끌어당기고 있따. 내부 원반과 두꺼운 외부 우너반 사이의 간격에서는 거대가스행성이 만들어지고 있는 것으로 추측된다. 출처: NASA/JPL-Caltech

별이 태어나면 거대한 가스 덩어리가 함께 모여 회전하기 시작합니다. 그러다 스스로 붕괴되면서 별의 핵에서는 핵융합 반응으로 빛과 열을 내기 시작합니다. 참고로 태양의 경우 별 내부에 있는 수소원자 4개를 헬륨원자 1개로 융합하는 수소핵융합(hydrogen nuclear fusion reaction) 반응이 일어나고 있는데요. 헬륨을 생성하며 에너지를 방출하고 있습니다. 하지만 이러한 과정은 완벽하진 않다고 하는데요. 별이 형성된 후에 많은 가스와 먼지는 여전히 남아있게 됩니다. 이 여분의 물질은 항성 주위를 계속 회전하다가 결국 항성의 원반(stellar disk)을 형성합니다.

 

가스와 먼지, 암석들은 평평하고, 고리 모양으로 모여있게 되는 것이죠.이 모든 물질들이 지속적으로 움직이는 동안 먼지 알갱이는 서로 부딪혀 자갈을 형성하고, 자갈은 행성을 형성할 때까지 더 크게, 거대한 바위로 자라납니다. 행성의 크기가 커짐에 따라 질량과 중력이 증가하게 되는데요. 늘어나는 먼지와 암석뿐만 아니라 대기를 형성할 수 있는 가스들도 포획할 수 있게 됩니다. 항성의 원반 안에는 많은 가스가 있는데요. 그러나 별이 만들어지는 과정에서 암석물질은 제한된 양만 만들어졌기 때문에 암석 물질은 상당히 적다고 합니다. 

지구의 크기와 비교한 확인된 슈퍼지구 행성들과 비교한 모습. 출처: NASA/Ames/JPL-Caltech  
지구의 크기와 비교한 확인된 슈퍼지구 행성들과 비교한 모습. 출처: NASA/Ames/JPL-Caltech  

중간지대에서 만들어지는 슈퍼지구, 어려운 조건

 

만약 행성이 지구 반경의 1.5배 이하고 비교적 작은 크기로 남아있다면 그 중력은 해왕성이나 목성처럼 엄청난 양의 대기를 유지하기에 충분히 강하지 않을 겁니다. 하지만 만약 행성이 계속해서 더 크게 성장한다면 행성은 점점 더 많은 가스를 포획할 수 있게 됩니다. 그러면 지구 직경의 4배 정도되는 해왕성이나 11배 되는 목성 크기까지 증가할 수 있는 대기를 가질 수 있게 됩니다. 

 

그러므로 행성은 작고 암석이 많거나 혹은 거대하거나 가스가 많은 행성이 됩니다. 슈퍼지구가 형성될 수 있는 중간지대는 만들어지기가 매우 어려운 조건인 셈이죠. 일단 충분한 질량과 중력을 갖게 되면, 행성에 쌓여 부풀어 오르는 가스를 막기 위해 딱 알맞은 환경이 필요합니다. 이는 때때로 '불안정 평형(unstable equilibrium)'이라고 불리기도 하는데요. 만약 행성에 약간의 가스라도 더 추가될 경우 원래의 위치에서 더 멀리 이동하게 되고 거대한 목성형 행성이 되는거죠.  

 

또한 행성이 한번 형성되면 항상 같은 궤도에 머무르지 않는다는 점도 고려해야 하는데요. 떄때로 행성들은 모항성을 향해 움직이거나 이동하는데요. 행성이 항성에 가까워질수록 행성의 대기는 가열돼 원자와 분자가 빠르게 움직이며 행성의 중력에서 탈출하게 됩니다. 그래서 일부 작은 암석형 행성들은 사실 대기를 빼앗긴 커다란 행성의 중심부일 수도 있습니다. 그래서 엄청나게 거대한 암석형 행성이나 조그만 가스형 행성은 없지만 행성의 크기와 기하학적 구조, 구성에 있어서는 엄청나게 다양하게 존재할 수 있는 겁니다.

 

외계행성이 점점 더 많이 발견될수록, 외계행성은 상상을 뛰어넘는 다양한 특징을 지닌 모습을 보이고 있는데요. 적어도 사이즈 만큼은 어느 정도 한계가 있는 것 같네요. 
 


##참고자료##

 


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김성우 2020-08-23 02:03:54
함예솔 기자!, 좋은 기사 감사합니다.. 기사 작성시 "...입니다." "... 함니다." "...고려해야 하는데요.. " 대화시 사용하는 용어들을 하지 말고, '... 이다.' '... 였다.' ... 고려하게 된다...'. 건필하시오 ~~~

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