태양 행성계의 기원 Shu 2004, SNU BK Seminar S.S.Hong SNU, 05-10-20

ORIGIN OF THE SOLAR PLANETARY SYSTEM 1. THE PROTO-SOLAR NEBULA AS A PROPLYD 2. KUIPER BELT OBJECTs AND PLANETESIMAL 3. FROM DUST GRAINs TO PLANETESIMALs 4. PLANETESIMALs TO PROTO-PLANETs 5. PROTO-PLANETs TO TERRESTRIAL PLANETs 6. CORE INSTABILITY MODEL FOR GAS GIANTs GRAVITATIONAL INSTABILITY, SPIRAL DENSITY WAVE 7. RECOGNITION OF ICY PLANETS DISK LIFE TIME VERSUS FORMATION TIME 8. MIGRATION OF PLANETS 9. CONCLUSION S.S.Hong ; SNU 05-10-20

1. THE PROTO-SOLAR NEBULA AS A PROPLYD Shu 2004, SNU BK Seminar S.S.Hong ; SNU 06-05-09

지난 시간에; 태양 행성계도 PROPLYD의 단계를 거쳤음이 확실하다는 결론을 내렸다. 왜냐하면 행성들이 어떤 상황에서 형성될 수 있었는지, 그 점이 궁금하기 때문이다. 고민해야 할 문제 = 행성의 이원성에 대한 기원 + 성장에 필요한 충분한 시간 S.S.Hong ; SNU 05-10-20

태양계 원시 성운, PROPLYD A  C ; 105 년 S.S.Hong ; SNU 05-10-20

원시 태양계 성운의 밀도 구조 (r)  o r -1.5 원시 태양계 성운 당시에는 표면밀도의 분포가 연속적이지 않았을까. 해왕성 궤도 바깥에 뭔가가 아직 남아 있을 것이다. S.S.Hong ; SNU 05-10-20

Gerard Kuiper 1905 –1973 Dutch-American planetary scientist In 1951 he proposed existence of primordial debris beyond the orbit of Neptune. S.S.Hong ; SNU 05-10-20

2. KUIPER BELT OBJECTs AND PLANETESIMAL 장단 주기 혜성의 출현 빈도 문제 태양계 평면 오오트 구름 : Astronomy, Feb. 2000년 2월호, p.24 카이퍼대 : Astronomy, Sep. 2000년 9월호, p.54 태양계 장주기 혜성 단주기 혜성 주기 200년 이상 200년 이하 궤도 전 하늘에 분포 황도면에 밀집 이심률 매우 큼 보통 공급원 오오트 구름, 1012 혜성핵 카이퍼대, 270개 발견 오오트 구름 S.S.Hong ; SNU 06-05-09

DISCOVERY of the First KBO Jewitt and Luu 1993 brightness ~ r–4 size ~ 102 km fainter than 22nd mag d / dt  a few arc sec / hr many years of painstaking CCD observations 1992 QB1 Pluto may be the largest example of KBOs. S.S.Hong ; SNU 05-10-20

KBO의 궤도 분포 S.S.Hong ; SNU 05-10-20

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KBO의 종류 S.S.Hong ; SNU 05-10-20

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 S.S.Hong ; SNU 05-10-20

Duncan, M. Quinn, T., and Tremaine, S. 1987, The Origin of Short Period Comets, ApJ. 328, L69-73. 6x109 comets of total mass 0.04M in dynamically active region 34 ~ 45AU 4x1010 [~1.1M  ] in 45 ~ 100AU 9x1010 comets in 100 ~ 500AU 4x1010 comets in 500 ~1000AU  Pic disk has 1013 to 1014 comets. S.S.Hong ; SNU 05-10-20

동시에 단주기 혜성의 저장고가 바로 Kuiper Belt라는 사실도 밝혀졌다. The New Solar System (4판), J. Kelly Beatty 등 편집, p.67 백 km 수준의 대형 KBO들의 궤도 특성을 조사하여 우리는 태양계의 소형 천체들이 거대 행성들의 중력 작용으로 이주와 산란을 겪는다는 사실을 확인할 수 있었다. 동시에 단주기 혜성의 저장고가 바로 Kuiper Belt라는 사실도 밝혀졌다. 혜성의 핵과 미행성 체가 오늘날 동일한 성격의 천체로 간주되므로, 원시 태양계 성운의 중심면에는 수없이 많은 미행성 체들이 존재했을 것이다. S.S.Hong ; SNU 05-10-20

원시 태양계 성운의 밀도 구조  (r)  o r -1.5 소행성대 카이퍼 벨트 혜성의 저장고 S.S.Hong ; SNU 05-10-20

원시 태양계 성운 원반의 표면 밀도 분포 기체 위상의 응결 가능한 원소가 완전히 소진된 직후의 원반 상황 기체 위상의 물질은 수소와 헬륨 뿐 목성 부근 불연속  물의 결빙 눈송이 구조가 티끌의 병합을 촉진하는 요인으로 작용 내행성계의 물의 출처 수화물 hydrate minerals 혜성 핵들의 ‘폭격’ S.S.Hong ; SNU 05-10-20

3. FROM DUST GRAINs TO PLANETESIMALs 원시 태양계 성운 내부의 중심 거리에 따른 온도 변화 Astronomy, John D. Fix 저, p.425 온도에 따른 광물의 응결 순서 S.S.Hong ; SNU 06-05-09

얼음의 분수령과 미행성 체의 구성 성분 현재 태양계에 미행성 체의 존재를 입증할만한 증거가 있는가? 오른쪽 위 : The New Solar System (4판), J. Kelly Beatty 등 편집, p.356 The New Solar System (3판), J. Kelly Beatty & Andrew Chaikin 편집, p.136 현재 태양계에 미행성 체의 존재를 입증할만한 증거가 있는가? Asteroids, Comet Nuclei, and KBOs ! S.S.Hong ; SNU 05-10-20

충돌 병합에 의한 미행성 체의 성장 미행성체의 존재를 확인할 길은 없는가? S.S.Hong ; SNU 05-10-20 The New Solar System (4판), J. Kelly Beatty 등 편집, p.239 오른쪽 : Astronomy, John D. Fix 저, p.305 미행성체의 존재를 확인할 길은 없는가? S.S.Hong ; SNU 05-10-20

티끌 ⇒ 모래 ⇒ 돌멩이 ⇒ 미행성 체 ⇒ 원시행성 체 4. PLANETESIMALs TO PROTO-PLANETs 티끌 ⇒ 모래 ⇒ 돌멩이 ⇒ 미행성 체 ⇒ 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    그러므로 성장을 가속시킬 새로운 요인을 발굴할 필요가 있다. 티끌의 중심면 침전 이후 1 AU 10 mm 성장 2,000년 5 AU 15 mm 성장 5,000년 30AU 0.3 mm 성장 50,000년 지구형과 목성형의 형성 기제의 이원성 행성 형성의 미행성 결집 모형이 목성형 행성에는 적용 불가 거대 기체 행성의 형성에 기체 물질의 중력 불안정이 크게 작용했을 것이다. S.S.Hong ; SNU 05-10-20

미행성의 성장 미행성의 충돌, 병합, 성장의 수치 모의실험 0.99 – 1.01 AU Weatherill, 1989 미행성의 충돌, 병합, 성장의 수치 모의실험 0.99 – 1.01 AU 초기 101 km 규모의 미행성 체들이 수 만년 후에 원시 행성 규모인 103 km로 성장 성장률의 폭주 현상은 중력 초점 때문 102 km 에서 중력의 발동으로 103 km의 원시 행성으로 급속히 성장 S.S.Hong ; SNU 05-10-20

5. PROTO-PLANETs TO TERRESTRIAL PLANETs 단위 간격에 들어 있는 미행성체 수는 거리1/2에 비례해서 증가함. 내 행성계에서는 한계질량이1027g 규모인 원시행성 체가 소수 형성됨. S.S.Hong ; SNU 06-05-09

원시행성 체들의 한계 질량 중력 초점 현상에 의한 폭주 성장의 결과로 개중에 비교적 큰 것이 한계 질량에 먼저 도달한 후 더 이상의 성장을 멈춘다. ⇔ 물질의 고갈 태양 가까이는 태양의 조석력 때문에 고밀• 소형의 천체만 생존이 가능하다. 얼음의 분수령을 경계로 한 한계 질량의 급격한 변화는 C, N, O의 응결 때문이다. 해왕성 궤도의 외곽에서 한계 질량은 다시 감소 ← 면적 밀도의 감소 때문 S.S.Hong ; SNU 05-10-20

지구형 행성의 성장 곡선 한계 질량에 이른 원시행성 체들의 충돌•병합의 시간 척도가 108 년으로 매우 길다.  개수 밀도의 현격한 감소 S.S.Hong ; SNU 05-10-20

6. CORE INSTABILITY MODEL FOR GAS GIANTs 목성형 행성의 성장 폭주 성장의 가능성은 실제로 ‘零’ 3.9 x105년 걸려서10M 정도의 원시행성 체로 성장 암석-얼음 성분의 원시 행성의 핵이 중력 작 용의 핵으로 작용하여 나선 밀도파의 생성을 촉발한다. 중력 작용의 핵은 밀도파의 나선팔을 통해 가스 물질을 중력적으로 흡인하여 목성과 같은 거대 기체 행성으로 성장한다. 토성, 천왕성, 해왕성 지역에서는 한계 질량의 원시행성 체가 만들어지는 데 2, 10, 30 x 106 년의 세월이 필요하다. 이 때가 중심 태양의 활동으로 기체 물질이 원 반에서 거의 소진될 즈음이다. S.S.Hong ; SNU 06-06-09

회전 원반의 동력학적 진화 회전 원반  고리 구조의 출현 고리의 중력 불안정  나선 밀도파의 생성  거대 기체 행성의 형성 윗 그림 : Astronomy, 2000년 3월호, p.50 아래 그림 : The New Solar System (3판), J. Kelly Beatty & Andrew Chaikin 편집, p.137 S.S.Hong ; SNU 05-10-20

7. RECOGNITION OF ICY PLANETS 천왕성, 해왕성, 얼음 위성 S.S.Hong ; SNU 06-06-09

8. MIGRATION OF PLANETS The New Solar System (4판), J. Kelly Beatty 등 편집, p.67 백 km 수준의 대형 KBO들의 궤도 특성을 조사하여 우리는 태양계의 소형 천체들이 거대 행성들의 중력 작용으로 이주와 산란을 겪는다는 사실을 확인할 수 있었다. 동시에 단주기 혜성의 저장고가 바로 Kuiper Belt라는 사실도 밝혀졌다. 혜성의 핵과 미행성 체가 오늘날 동일한 성격의 천체로 간주되므로, 원시 태양계 성운의 중심면에는 수없이 많은 미행성 체들이 존재했을 것이다. S.S.Hong ; SNU 06-06-09

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 근방에서 발견되지만, 그렇게 좁은 지역에서 이 정도 크기의 행성이 성장할 가능성은 없다. 물질의 양이 충분하지 않기 때문이다. 그러므로 이주의 가능성을 점친다. 한편 목성 대기에 특정 동위 원소의 불활성 기체와 탄소, 질소, 황 등이 비정상 적으로 많이 존재한다. 이는 목성이 현재의 위치보다 훨씬 더 추운 30AU 근방에서 만들어졌음을 시사한다. 그러므로 목성도 현 위치로 이주해 와서 정착했을 것이다. 아직 이 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. 문제는 이주 거리와 이주에 걸리는 시간일 것이다. 이주의 물리적 기작에 대해서는 아직 확실하게 알려진 바가 없다. 카이퍼 벨트의 존재/ 압력 경도력/ 충돌에 의한 저항/ 과두 체제의 붕괴 S.S.Hong ; SNU 06-06-09

9. CONCLUSION 우리는 회전 원반에서 행성계의 생성을 원반 진화의 하나의 당연한 결과로 받아들일 수 있다. 즉, 외계 행성계의 존재를 현대 천문학은 확신한다. 지구형 + 목성형의 2원성 모형은 고체 + 기체 + 얼음 행성의 3원성 모형으로 보완돼야 마땅하다. 그 뿐 아니라 태양 행성계의 구성원들이 보이는 다양성에서부터 우리는 외계 행성의 다양성은 이보다 도를 더할 것으로 추정한다. 태양 행성계의 형성에 관한 큰 얼개는 우리 손에 있다고 하더라도, 근본적 이해는 외계 행성계가 우리에게 가르쳐 줄 것이다. 그러므로 행성계의 범 은하적 보편성 여부를 우리가 직접 관측으로 확인하는 것이다. S.S.Hong ; SNU 06-06-09