태양 행성계의 기원 S.S.Hong _

태양 행성계의 기원 1. 원시 태양계 성운 고밀 분자 회전 분자운 핵 ; 원시 태양계 성운, PROPLYD 의 밀도 구조 2. 콰이퍼 대 천체와 미생성체 콰이퍼 대 천체의 발견 ; KBO 의 궤도 ; KBO 의 종류 ; 명왕성, Plutino 의 대표 KBO 의 정체와 미행성체의 존재 3. 티끌에서 미행성체로 4. 미행성에서 원시 행성체로 5. 원시 행성체에서 지구형 고체 행성으로 6. 기체형 거대 행성의 고체 핵 - 기체 대기 모형 중력 불안정, 나선 밀도파의 형성 7. 얼음형 행성의 형성 원반 수명 대 행성 형성 시간 8. 행성체의 궤도 이주 9. 결론 S.S.Hong _

1. 우리는 지난 시간에 여러 가지 관측적 사실과 이론적 추론을 통하여 태양 행 성계도 PROPLYD 의 단계를 거쳤을 것으로 결론을 내렸다. 2. 그렇다면 PROPLYD 의 중심면에 티끌을 많이 갖고 있는 기체 - 티끌 회전 원 반의 상황에서 어떤 현상이 일어날 수 있는지 궁금하다. 그곳에서 행성들이 만들어지기 때문이다. 3. 특히 행성의 이원성이 무엇에서 비롯됐는지 밝혀야 한다. 4. 그리고 기체 - 티끌 원반의 수명이 충분히 길어서 그 동안에 행성들이 만들어 질 수 있었는지도 따져봐야 할 것이다. S.S.Hong _

1. 원시 태양계 성운 S.S.Hong _

A  C ; 10 5 년 1.1 고밀 회전 분자운 핵 질량 M  1~2 M sun ; 회전 각속도   5 x sec -1 ; 반경 R  3 x cm Estimates of energy in order of magnitude : 회전에너지 = (1/2) (2/5) MR 2  2  9 x ergs [M/ M sun ] 2 [  / 5x s -1 ] 2 중력에너지 = (3/5) GM 2 /R  5 x ergs [M/ M sun ] 2 [0.1pc/ R] S.S.Hong _

 (r)   o r -1.5 원시 태양계 성운 당시에는 표면밀도의 분포가 연속적이지 않았을까. 그렇다 면 해왕성 궤도 바깥에 뭔가가 아직 남아 있지 않을까, … 1.2 원시 태양계 성운, PROPLYD 의 밀도 구조 S.S.Hong _

Dutch-American planetary scientist. In 1951 he proposed existence of primordial debris beyond Neptune. Gerard Kuiper 1905 – 콰이퍼 대 천체와 미행성체 S.S.Hong _

장단 주기 혜성의 출현 빈도 문제 오오트 구름 태양계 평면 태양계 장주기 혜성단주기 혜성 주기 200 년 이상 200 년 이하 궤도전 하늘에 분포황도면에 밀집 이심률매우 큼보통 공급원오오트 구름, 핵콰이퍼 대, 300 여 개 발견 S.S.Hong _

Jewitt and Luu (1993) 반사 천체의 밝기  r –4 크기 ~ 10 2 km 22 nd 등급보다 어두울 것이다 d  / dt  시간 당 수 초 이동 여러 해에 걸친 CCD 관측의 피나는 노력 끝에 드디어 발견함.  1992 QB1 명왕성은 알고 보니까 콰이퍼 대 천 체들 중에서 가장 큰 것이었다. 2.1 콰이퍼 대 천체의 발견 S.S.Hong _

2.2 KBO 의 궤도 분포 S.S.Hong _

2.3 KBO 의 종류 S.S.Hong _

versus Eccentricity versus Semi-Major Axis Plutinos classical Kuiper belt objects scattered disk objects long tail of objects with high e and large a; yet q  30 AU, well inside the 50 AU edge. Remnants of the scattering and migration that pushed Neptune out. bodies in circular orbits in 41 ~ 48 AU; They are the ones Kuiper envisioned. Dynamically unperturbed ones in low i dynamically stirred pops in much higher i dyn cold pop= small red bodies dyn hot pop = emigrants from denser region

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2.4 명왕성, Plutino 의 대표 S.S.Hong _

Duncan, M. Quinn, T., Tremaine, S. 1987, ApJ. 328, L The Origin of Short Period Comets 6x10 9 comets of total mass 0.04M  in dynamically active region 34 ~ 45AU 4x10 10 [~1.1M  ] in 45 ~ 100AU 9x10 10 comets in 100 ~ 500AU 4x10 10 comets in 500 ~1000AU  Pic disk has to comets. 2.5 KBO 의 정체와 미행성체의 존재 S.S.Hong _

백 km 수준의 대형 KBO 들의 궤도 특성을 조사하여 우리는 태양계의 소형 천체들이 거대 행성들의 중력 작용으로 이주와 산란을 겪는다는 사실을 확인할 수 있었다. Late Heavy Bombardment 동시에 단주기 혜성의 저장고가 바로 Kuiper Belt 라는 사실도 밝혀졌다. 혜성의 핵과 미행성 체가 동일한 성격의 천체이므로, 원시 태양계 성운의 중심 면에는 수없이 많은 미행성 체들이 존재했 을 것이다. 소행성, 혜성의 핵, KBO 들의 일부가 현재까지 남아있는 미행성체이다. S.S.Hong _

미행성의 중력 산란 미행성의 존재 미행성 체들의 충돌 병합 지구형 행성의 형성 중력 산란 장 / 단주기 혜성의 원천 오오트 구름의 정체와 기원

3. 티끌에서 미행성체로 3.1 원시 태양계 성운 원반의 표면 밀도 분포 S.S.Hong _

기체 위상에 있던 응결 가능한 원소가 완 전히 광물입자로 응결된 직후의 상황 이때 기체 위상에 남아 있을 수 있었던 원소는 수소와 헬륨 뿐 목성 부근 불연속  물의 결빙 얼음 성분의 입자들이 갑자기 증가했을 뿐 아니라, 눈송이 구조 덕에 티끌의 병 합이 용이했을 것이다. 내행성에 존재하는 물 H 2 O 의 출처  수화물 hydrate minerals  혜성 핵들의 ‘ 폭격 ’ The Late Heavy Bombardment  (r)   o r -1.5 S.S.Hong _

PROPLYD 내부 온도의 중심 거리에 따른 변화 광물의 응결 순서 3.2 얼음의 분수령 S.S.Hong _

얼음의 분수령과 미행성 체의 구성 성분 S.S.Hong _

3.3 충돌 병합에 의한 미행성 체의 성장 S.S.Hong _

티끌 ⇒ 모래 ⇒ 돌멩이 ⇒ 미행성 체 ⇒ 원시 행성의 태아 ⇒ 원시행성 체 행성의 성장 속도 – 원반의 표면 밀도 [column density]  ; 태양 중심 거리  – 부피 밀도  ; 원반 두께  ; 침강 거리  ; 태양중심거리  – 외곽에서 응결, 충돌, 질량 집적에 필요한 이동 거리 및 시간    티끌의 중심면 침전 이후 – 1 AU 10 mm 성장 2,000 년 – 5 AU 15 mm 성장 5,000 년 –30AU 0.3 mm 성장 50,000 년 PROPLYD 에 물질이 남아 있을 수 있는 수명 –PROPLYD 의 수명은 중심별 생성 이후 (1~3) x 10 7 년 이내로 제한됨. – 그러므로 특히 목성형의 경우 성장을 가속시킬 새로운 요인의 발굴이 필요 지구형과 목성형의 형성 기제의 이원성 – 행성 형성의 미행성 결집 모형이 목성형 행성의 형성에는 적용 불가 – 거대 기체 행성의 형성에 기체 물질의 중력 불안정이 크게 작용했을 것이다. 4. 미행성에서 원시 행성체로 S.S.Hong _

미행성의 성장 미행성의 충돌, 병합, 성장의 수치 모의실험 ; 0.99 – 1.01 AU 종축 = 누적 개수 ; 횡축 = 질량 [kg] 주로 10 1 km 규모의 미행성 체들이 수 만년 후에 원시 행성 규모인 10 3 km 로 성장 ; 성장률의 폭주 현상은 중력 초점의 영향 ; 10 2 km 에서 중력의 발동으로 10 3 km 의 원시 행성으로 급 성장 ; 47,000 년 후에는 kg 에서부터 10 5 범위 안에 전무할 정도. Wetherill, 1989 S.S.Hong _

단위 간격에 들어 있는 미행성체 수는 거리 1/2 에 비례해서 증가함. 내 행성계에서는 한계질량이 g 규모인 원시행성 체가 소수 형성됨. 5. 원시 행성체에서 지구형 행성으로 S.S.Hong _

원시행성 체들의 한계 질량 중력 초점 현상에 의한 폭주 성장의 결과로 개 중에 비교적 큰 것이 한계 질량에 먼저 도달한 후 더 이상의 성장을 멈춘다. ⇔ 물질의 고갈 태양 가까이는 태양의 막강한 조석력이 작동 하므로 고밀 소형의 천체만 생존할 수 있다. 얼음의 분수령을 경계로 한 한계 질량의 급격 한 변화는 중원소 중에서 비교적 풍부한 C, N, O 를 포함하는 얼음의 응결 때문이다. 해왕성 궤도의 외곽에서 는 한계 질량이 다시 감소한다. ← 면적 밀도의 감소 때문 S.S.Hong _

지구형 행성의 성장 곡선 한계 질량에 이른 원시행성 체들의 충돌 병합에 의한 성장 시간 척도가 10 8 년으로 매 우 길다.  개수 밀도의 현격한 감소 S.S.Hong _

목성형 행성의 성장 5AU 근방에서 폭주 성장의 가능성은 실제 로 ‘ 零 ’ 이다. 3.9 x10 5 년 걸려서 10M  정도의 원시 행성 체로 성장. 암석 - 얼음 성분의 원시 행성의 핵이 중력 작용의 핵으로 작용하여 나선 밀도파의 생성 을 촉발한다. 중력 작용의 핵은 밀도파의 나 선 팔을 통해 가스 물질을 중력적으로 흡인 하여 목성과 같은 거대 기체 행성으로 성장 한다. 토성, 천왕성, 해왕성 지역에서는 한계 질 량의 원시행성 체가 만들어지는 데 2, 10, 30 x 10 6 년의 세월이 필요하다. 이 때가 중심 태양의 활동으로 기체 물질이 원반에서 거의 소진될 즈음이다. S.S.Hong _ 기체형 거대 행성의 고체 핵 - 기체 대기 모형

무거운 회전 원반의 동력학적 진화 / 태양계에게는 비합리적인 모형 무거운 고속 회전 원반  고리 구조의 출현 고리의 중력 불안정  나선 밀도파의 생성  거대 기체 행성의 형성 S.S.Hong _

천왕성, 해왕성 & 얼음 위성 7. 얼음형 행성의 형성 S.S.Hong _

8. 행성의 이주 S.S.Hong _

행성의 이주 가능성 카이퍼 벨트와 오오트 구름의 존재가 확인됨으로 해서 태양계의 권역이 해왕성이나 명왕성 지역에서 엄청나게 넓은 공간으로 확장됐다. 태양 이외의 별들에서는 거대 기체 행성들이 중심 거리 0.5AU 근방 또는 그 내부에 서 발견되지만, 그렇게 좁은 지역에서 이 정도 크기의 행성이 성장할 가능성은 없다. 물질의 양이 충분하지 않기 때문이다. 그러므로 이주 migration 가능성을 점친다. 한편 목성 대기에 특정 동위 원소의 불활성 기체와 탄소, 질소, 황 등이 비정상 적으 로 많이 존재한다. 이 사실에서부터 일부 학자들은 목성이 현재의 위치보다 훨씬 더 추운 30AU 근방에서 만들어졌다고 주장한다. 즉 목성도 외부에서 이주하여 현 위치 에 정착했다는 것이다. 이러한 주장이 전적으로 받아들여지는 것은 아니다. 그 경우 생성된 행성의 질량이 목성의 1/10 수준에 불과할 것으로 기대되기 때문이다. 그러나 행성이 자신의 탄생지에서 내부로 이주하는 것은 확실한 것으로 보인다. 문 제는 이주 거리와 이주에 걸리는 시간일 것이다. 이주의 물리적 기작으로 세 가지 모형이 제시됐는데, 태양 행성계에 어떤 모형이 실 제로 적용됐는지는 확실하지 않다. 문제는 이 기작들이 모두 너무 효율적이라는 사 실이다. S.S.Hong _

회전 원반에서의 행성계의 생성은 원반 진화의 당연한 결과로 받아들여진다. 다시 말해서 현대 천문학은 외계 행성계의 존재를 확신한다. 기존의 지구형 + 목성형의 2 원성 모형은 이제 고체 + 기체 + 얼음 행성의 3 원 성 모형으로 보완돼야 마땅하다. 태양 행성계의 구성원들이 보이는 다양성에서부터 우리는 외계 행성체들의 다양성은 이보다 도를 더할 것으로 예상한다. 태양 행성계의 형성 과정의 큰 얼개는 우리 손에 있다고 하더라도, 행성계의 형성과 진화를 근본적으로 이해하려면, 외계 행성계를 우선 발견하고 그 계를 이루는 행성 체들에 관한 관측적 사실이 정립돼야 할 것이다. 즉 행성계의 범 은하적 보편성 여부는 직접 관측으로 확인해야 하는 것이다. 9. 결론 S.S.Hong _