태양 행성계의 기원. 1. 원시 태양계 성운 2. 콰이퍼 대 천체와 미생성체 3. 티끌에서 미행성체로 4. 미행성체에서 원시 행성체로 5. 원시 행성체에서 지구형 고체 행성으로 6. 기체형 거대 행성의 고체 핵 - 기체 대기 모형 중력 불안정, 나선 밀도파의 형성 7.

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1 태양 행성계의 기원

2 1. 원시 태양계 성운 2. 콰이퍼 대 천체와 미생성체 3. 티끌에서 미행성체로 4. 미행성체에서 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

3 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 매우 궁금하다. 바로 거기에서 행성이 태어나기 때문이다. 3. 특히 행성 이원성의 기원이 무엇인지 밝혀야 한다. 4. 그리고 기체 - 티끌 원반의 수명이 충분히 길어서 그 동안에 행성들이 만들어 질 수 있는지를 따져봐야 할 것이다.

4 1. 원시 태양계 성운

5 A  C ; 10 5 년 1.1 고밀 회전 분자운 핵 질량 M  1~2 M sun ; 회전 각속도   5 x 10 -14 sec -1 ; 반경 R  3 x 10 -17 cm Estimates of energy in order of magnitude : 회전에너지 = (1/2) (2/5) MR 2  2  9 x 10 40 ergs [M/ M sun ] 2 [  / 5x10 -14 s -1 ] 2 중력에너지 = (3/5) GM 2 /R  5 x 10 41 ergs [M/ M sun ] 2 [0.1pc/ R]

6  (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

7 Dutch-American planetary scientist. In 1951 he proposed existence of primordial debris beyond Neptune. Gerard Kuiper 1905 –1973 2. 콰이퍼 대 천체와 미행성체

8 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, 10 12 핵콰이퍼 대, 300 여 개 발견

9 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

10 2.1 KBO 의 궤도 분포

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12 2.3 KBO 의 종류

13 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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15 2.4 Plutino 의 대표, 명왕성

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17 Duncan, M. Quinn, T., Tremaine, S. 1987, ApJ. 328, L69-73. 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 10 13 to 10 14 comets. 2.5 KBO 의 정체와 미행성체의 존재

18 백 km 수준의 대형 KBO 들의 궤도 특성을 조사하여 우리는 태양계의 소형 천체들이 거대 행성들의 중력 작용 으로 이주와 산란을 겪는다는 사실을 확인할 수 있었다. 동시에 단주기 혜성의 저장고가 바로 Kuiper Belt 라는 사실도 밝혀졌다. 혜성의 핵 과 미행성 체 가 오늘날 동일한 성격의 천체로 간주되므로, 원시 태양계 성운의 중심 면에는 수없이 많은 미행성 체들이 존재 했 을 것이다.

19 원시 태양계 성운의 밀도 구조 소행성대 카이퍼 벨트 혜성의 저장고  (r)   o r -1.5

20 원시 태양계 성운 원반의 표면 밀도 분포 기체 위상의 응결 가능한 원소가 완 전히 소진된 직후의 원반 상황 기체 위상의 물질은 수소와 헬륨 뿐 목성 부근 불연속  물의 결빙 눈송이 구조가 티끌의 병합을 촉진 하는 요인으로 작용 내행성계의 물의 출처  수화물 hydrate minerals  혜성 핵들의 ‘ 폭격 ’

21 원시 태양계 성운 내부의 중심 거리에 따른 온도 변 화 온도에 따른 광물의 응결 순서 3. FROM DUST GRAINs TO PLANETESIMALs

22 얼음의 분수령과 미행성 체의 구성 성분 현재 태양계에 미행성 체의 존재를 입증할만한 증거가 있는가 ? Asteroids, Comet Nuclei, and KBOs !

23 충돌 병합에 의한 미행성 체의 성장 미행성체의 존재를 확인할 길은 없는가 ?

24 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 행성에는 적용 불가 – 거대 기체 행성의 형성에 기체 물질의 중력 불안정이 크게 작용했을 것이다. 4. PLANETESIMALs TO PROTO-PLANETs

25 미행성의 성장 미행성의 충돌, 병합, 성장의 수치 모의실험 0.99 – 1.01 AU 초기 10 1 km 규모의 미행성 체들이 수 만년 후에 원시 행성 규모인 10 3 km 로 성장 성장률의 폭주 현상은 중력 초점 때문 10 2 km 에서 중력의 발동으로 10 3 km 의 원시 행성으로 급속히 성장 Weatherill, 1989

26 단위 간격에 들어 있는 미행성체 수는 거리 1/2 에 비례해서 증가함. 내 행성계에서는 한계질량이 10 27 g 규모인 원시행성 체가 소수 형성됨. 5. PROTO-PLANETs TO TERRESTRIAL PLANETs

27 원시행성 체들의 한계 질량 중력 초점 현상에 의한 폭주 성장의 결과로 개중에 비 교적 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 변화 는 C, N, O 의 응결 때문이다. 해왕성 궤도의 외곽에서 한계 질량은 다시 감소 ← 면적 밀도의 감소 때문

28 지구형 행성의 성장 곡선 한계 질량에 이른 원시행성 체들의 충돌 병합의 시간 척도가 10 8 년으로 매우 길다.  개수 밀도의 현격한 감소

29 목성형 행성의 성장 폭주 성장의 가능성은 실제로 ‘ 零 ’ 3.9 x10 5 년 걸려서 10M  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 10 6 년의 세월이 필요하다. 이 때가 중심 태양의 활동으로 기체 물질이 원 반에서 거의 소진될 즈음이다. 6. CORE INSTABILITY MODEL FOR GAS GIANTs

30 회전 원반의 동력학적 진화 회전 원반  고리 구조의 출현 고리의 중력 불안정  나선 밀도파의 생성  거대 기체 행성의 형성

31 천왕성, 해왕성, 얼음 위성 7. RECOGNITION OF ICY PLANETS

32 백 km 수준의 대형 KBO 들의 궤도 특성을 조사하여 우리는 태양계의 소형 천체들이 거대 행성들의 중력 작용 으로 이주와 산란을 겪는다는 사실을 확인할 수 있었다. 동시에 단주기 혜성의 저장고가 바로 Kuiper Belt 라는 사실도 밝혀졌다. 혜성의 핵과 미행성 체가 오늘날 동일한 성격의 천체로 간주되므로, 원시 태양계 성운의 중심면에는 수없이 많은 미행성 체들이 존재했을 것이다. 8. MIGRATION OF PLANETS

33 행성의 이주 가능성 카이퍼 벨트와 오오트 구름의 존재가 확인됨으로 해서 태양계의 권역이 해왕성 이나 명왕성 지역에서 엄청나게 넓은 공간으로 확장됐다. 태양 이외의 별들에서는 거대 기체 행성들이 중심 거리 0.5AU 근방에서 발견되 지만, 그렇게 좁은 지역에서 이 정도 크기의 행성이 성장할 가능성은 없다. 물질 의 양이 충분하지 않기 때문이다. 그러므로 이주의 가능성을 점친다. 한편 목성 대기에 특정 동위 원소의 불활성 기체와 탄소, 질소, 황 등이 비정상 적 으로 많이 존재한다. 이는 목성이 현재의 위치보다 훨씬 더 추운 30AU 근방에서 만들어졌음을 시사 한다. 그러므로 목성도 현 위치로 이주해 와서 정착했을 것이다. 아직 이 주장이 전적으로 받아들여지는 것은 아니다. 그 경우 생성된 행성의 질 량이 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

34 우리는 회전 원반에서 행성계의 생성을 원반 진화의 하나의 당연한 결과로 받 아들일 수 있다. 즉, 외계 행성계의 존재를 현대 천문학은 확신한다. 지구형 + 목성형의 2 원성 모형은 고체 + 기체 + 얼음 행성의 3 원성 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 이 해는 외계 행성계가 우리에게 가르쳐 줄 것이다. 그러므로 행성계의 범 은하적 보편성 여부를 우리가 직접 관측으로 확인하는 것이다. 9. CONCLUSION

35 소주제 에세이 쓰기 글쓰기는 물론 학문을 하는데 사실에서 진실을 찾아내기가 핵심이다 : 동일 사실을 보는 눈마다 서로 다른 진실을 보거나 창조한다. 그러므로 연구자는 사실을 바라보는 자신만의 시선이나 관점을 가져야 한다. 시선과 관점의 중요성은 인문과 자연과학에서 서로 다르지 않으며, 지성인이라면 인문과 자연의 균형 잡힌 시각을 가져야 할 것이다. 과거로부터 결코 자유로울 수 없는 현재의 운명을 실감했다 : 우주 구성 물질은 원자 핵 수준에서 볼 때 구성 성분이 시간에 따라 계속해서 변해 왔다. 이러한 변화는 핵융합 반응을 통한 항성 진화의 결과다. 나 자신의 존재도 우 주의 과거로부터 자유로울 수 없다. 왜냐하면 지구형의 고체 행성 체가 만들어지기 위하여, 성간 물질의 중원소의 함량비가 적정 수준 이상이어야 하며, 별들 주위에 행성들이 만들어질 수 있어야 했다. ㄱ. 행성계의 태동이 우주에서 흔히 볼 수 있는 현상임을 입증함으로써, 외계에서 행성을 찾으려는 현대 천문학의 노력에 당위성을 부여하시오. ㄴ. 태양계와 같이 지구형 행성을 가진 행성계는 지극히 예외적인 존재임을 논증함 으로써, 외계에서 행성계를 찾으려는 우리의 시도가 무의미함을 보이시오.