恒星 形成

天體 部類

星間매질 分子雲 보크構想體 暗黑星雲 젊은 항성體 (YSO) 原始별 前主系列星 황소자리 T型 恒星 虛빅 Ae/Be 恒星 虛빅-아로天體

理論的 槪念

降着 初期質量函數 진스 不安定性 켈빈-헬름홀츠 期作 星雲說 行星 移動

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星雲說 또는 星雲 假說 (星雲說, 星雲假說, 英語 : nebula hypothesis )은 宇宙起源論 分野에서 太陽系의 形成과 進化 를 說明하는 데 있어 가장 널리 認定받는 假說 이다. ^[1] 칸트-라플라스 星雲說(Kant-Laplace nebular hypothesis)이라고도 알려져 있다. 이 假說은 太陽系 가 星雲 物質에서 생겨났다고 假定한다. 이 理論의 最初 主唱者는 이마누엘 칸트 로 1755年 咀嚼 《普遍自然死 및 穿孔 理論》에서 紹介하였다. 行星界 誕生 過程은 元來 太陽系 를 說明하기 위한 假說이었으나 現在는 全 宇宙 에 걸친 普遍的 現象으로 認定받고 있다. ^[2] 널리 認定된 現代 變種(變種) 星雲理論은 太陽星雲圓盤模型(solar nebular disk model, SNDM) 또는 太陽성운모型(solar nebular model)이다. ^[3] 이 理論은 行星들의 公轉軌道가 圓 模樣에 가깝고 거의 같은 公轉面 위에 놓여 있으며 公轉方向이 太陽의 自轉 方向과 같다는 事實 等 太陽系의 다양한 特徵을 說明해 준다. 最初 星雲假說을 構成하는 要素들 中 一部는 現代 行星誕生 理論에서 다시 登場했으나 大部分은 代替되었다.

星雲 假說에 따르면 恒星 은 巨大하고 密度 높은 分子水素 구름( 巨大分子韻 , GMC) 속에서 만들어진다. 이 구름은 重力敵으로 不安定하며 物質은 그 가운데에서 좀 더 작고 密度 높은 덩어리로 뭉친 뒤 回轉하고 崩壞하면서 恒星이 된다. 항성誕生은 複雜한 過程으로 막 태어나는 別 周圍에는 언제나 가스로 된 元是行星界圓盤 이 생겨난다. 이 圓盤에서 특정한 條件 아래 行星이 생겨날 수 있는데 그 條件은 明確히 밝혀지지 않았다. 어쨌든 行星界 가 생겨나는 것은 恒星이 생겨나는 데 따른 자연스러운 結果로 보인다. 太陽과 비슷한 恒星이 생겨나는 데에는 大略 100萬 年이 걸리며 元是行星界圓盤이 行星界로 進化하는 데에는 그 後 1000萬 ~ 1億 年이 追加로 걸린다. ^[2]

이 元是行星界圓盤은 中心별에 物質을 供給하는 降着圓盤 이다. 圓盤은 처음에는 매우 뜨거우나 以後 식어 황소자리 T型 恒星 으로 進化한다. 황소자리 T型 段階에서 巖石과 얼음으로 된 微細한 먼지粒子가 생겨난다. 이 粒子들은 最終的으로 1킬로미터 크기의 미행성 으로 자라나게 된다. 萬若 圓盤의 質量이 充分히 크다면 降着의 速度는 暴發的으로 增加하여 10萬 年 ~ 30萬 年 사이에 달에서 華城 程度 質量의 원시行星 으로 빠르게 자라난다. 항성으로부터 가까운 곳에서 이 원시行星들은 激烈한 融合 段階를 거쳐서 數 個의 巖石 行星 이 된다. 이 마지막 段階에는 大略 1億 年에서 10億 年이 所要된다. ^[2]

가스行星 의 形成은 보다 複雜한 過程을 거친다. 가스行星은 凍結線 너머에서 만들어지는 것으로 推定되는데 이 곳에 있는 行星 胚芽(planetary embryo)들은 主로 여러 種類의 얼음으로 이루어져 있다. 그 結果 이 곳의 行星 胚芽는 元是行星界圓盤 안쪽에 있는 것들보다 質量이 몇 倍 크다. 行星 胚芽가 만들어진 以後 進化 過程이 어떤지는 明確히 糾明되지 않았다. 一部 行星 胚芽는 地球質量 5~10倍 水準까지 자라난다. 이 '門地枋 質量'에 이르면 圓盤에 있던 水素, 헬륨 氣體가 行星 表面에 降着 되기 始作한다. 中心核이 周邊 氣體를 모으는 過程은 처음에는 數百萬 年에 걸쳐 천천히 進行되나 원시行星 質量이 地球의 30倍에 다다르면 質量 增加 速度는 暴走하여 빨라진다. 木星 과 土星 과 같은 가스行星들은 不過 1萬 年 만에 現在 質量에 다다른 것으로 보인다. 이 降着 過程은 周邊의 氣體가 行星에 全部 빨아먹히면 끝난다. 이렇게 만들어진 行星들은 以後 公轉軌道가 크게 바뀔 수 있다. 天王星 과 海王星 같은 얼음 行星 들은 '失敗한 中心核'으로 보이며 이들은 圓盤 物質이 거의 다 사라졌을 때 뒤늦게 物質을 吸收하여 크게 자라나지 못했다. ^[2]

歷史 [ 編輯 ]

1734年 에마누엘 스베덴보리 가 星雲說의 一部 內容을 最初로 提起했다는 證據가 있다. ^{[4] [5]} 스베덴보리의 主張에 興味를 느낀 이마누엘 칸트 는 1755年 그의 假說을 補强하여 本人 著書 《天界의 一般自然史와 理論》( Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels )에 收錄했는데 이 冊에서 칸트는 氣體로 된 구름(성운)은 천천히 回轉하다가 重力 때문에 천천히 崩壞하여 平平한 模樣이 되고 最終的으로 恒星과 行星으로 進化 한다고 主張했다. ^[3] 피에르시몽 라플라스 는 칸트와 비슷한 模型을 獨立的으로 1796年 本人 著書 《宇宙體系 解說》 ( Exposition du systeme du monde )에서 開發·提案했다. ^[3] 라플라스는 太陽은 元來 太陽系 全體 空間을 채우는 뜨거운 大氣 形態의 '原始太陽星雲'이었다고 主張했다. 이 星雲은 차가워지고 收縮하면서 납작해지고 漸漸 回轉速度가 빨라졌다. 그 다음 氣體로 이루어진 고리 여러 個가 本體로부터 떨어져 나왔으며 行星들은 이 氣體 고리들이 뭉쳐서 만들어진 것이라고 主張했다. 라플라스의 模型은 칸트와 비슷했으나 보다 精巧했으며 天體 크기는 더 작았다. ^[3]

라플라스의 星雲 模型은 19世紀를 支配하였으나 몇 가지 問題點에 直面했다. 第一 重要한 問題點은 太陽과 行星 사이에 配分된 角運動量 이었다. 行星의 角運動量은 全體의 99%였으며 이 數値는 星雲 模型으로는 說明할 수 없었다. ^[3] 그 結果 天文學者들 大部分은 20世紀 初에 이르러 이 行星誕生 理論을 버렸다.

제임스 클러크 맥스웰 (1831年 ~ 1879年)은 라플라스의 理論에 疑問을 提起한 19世紀 代表走者이다. 그는 '고리 하나의 안쪽과 바깥쪽 部分의 公轉 速度가 다르면 物質은 뭉칠 수 없다.'라는 主張을 固守했다. ^[6] 天文學者 데이비드 브루스터 卿은 1876年 著作에서 라플라스의 假說을 否定했다. "星雲說을 믿는 사람들은 太陽 大氣로부터 내쳐진 物質의 고리로부터 地球의 단단한 物質과 大氣 成分이 由來했고, 이것들이 壓縮되어 地球의 巖石과 바다를 形成했으며, 다시 地球로부터 달이 똑같은 方式으로 내쳐졌다고 確信한다. " 그는 상기 觀點에 기초하여 "달은 地球로부터 똑같은 方式으로 물과 空氣를 必히 가져갔어야 하고, 大氣도 있었어야 한다."라고 主張했다. ^[7] 브루스터는 아이작 뉴튼 警 이 宗敎的 믿음 때문에 星雲說을 無神論 敵 理論으로 여겼다고 主張했으며 이러한 文句를 남겼다. "神의 仲裁 없이 오래 된 體系로부터 새로운 體系가 자라난다는 것은 뉴튼에게 確實히 터무니 없는 것처럼 보였다." ^[8]

科學者들은 라플라스 模型을 代替할 理論을 찾기 위해 努力했다. 토마스 챔벌린과 포레스트 몰턴의 미행성 理論(1901年), 제임스 진스의 조석 模型(1917年), 오토 슈미트의 降着 模型(1944年), 윌리엄 맥크레의 원시行星 理論(1960年), 마이클 울프슨의 捕獲 理論 等 20世紀 많은 理論들이 이 爭點을 다루었다. ^[3]

널리 認定받은 現代的 行星生成 理論(太陽星雲圓盤模型)의 誕生은 蘇聯 天文學者 빅토르 사프로노프로 거슬러 올라간다. ^[9] 그의 1969年 冊 '元是行星界圓盤의 進化와 地區 및 行星들의 生成' ^[10] 은 1972年 英語로 飜譯되었으며 行星 誕生에 對한 科學者들의 事故에 길고 持續的인 影響을 끼쳤다. ^[11] 이 冊에서 거의 모든 重要한 行星生成過程의 問題들이 公式化되었으며 그 中 一部는 解明되었다. 사프로노프의 假說들은 暴走降着을 發見한 조지 웨더릴의 論文에서 좀 더 進展되었다. ^[3] 1978年 앤드류 프렌티스는 行星生成에 關한 初期 라플라스의 主張을 부활시켰으며 '現代 라플라스 理論'을 開發했다. ^[3] 太陽星雲圓盤模型은 元來는 太陽系의 誕生을 說明하기 위해 세워진 假說이었으나 以後 우리 銀河에서 數千 個의 外界 行星 들이 發見되면서 宇宙 全體에 걸쳐 有效한 假說로 認定받았다. ^[12]

太陽 星雲 模型: 解明된 部分과 問題點 [ 編輯 ]

解明된 部分 [ 編輯 ]

恒星 誕生 過程에서 젊은 항성體 周邊에는 自然스럽게 降着圓盤 이 나타난다. ^[13] 大略 나이가 100萬 年 程度인 恒星들은 例外 없이 이런 圓盤을 두르고 있을 것이다. ^[14] 이 結論은 理論的 豫測처럼 原始별과 황소자리 T型 恒星 周邊에서 가스와 먼지로 이루어진 圓盤들이 發見되고 있어서 支持를 받고 있다. ^[15] 이 圓盤들을 觀測하여 圓盤 內 먼지 粒子가 짧은 時間(1千 年) 동안 1센티미터 크기의 破片으로 자라나는 것을 알아냈다. ^[16]

降着 過程 中 1 킬로미터 크기의 미행성들이 1000 킬로미터까지 成長하는 部分은 硏究가 많이 되어 있다. ^[17] 이 過程은 圓盤 內 微行星의 密度가 充分히 높은 곳이라면 어디에서든지 進行되며 微行星은 幾何級數的 速度로 자라난다. 成長速度는 以後 느려지고 寡頭降着(寡頭降着, oligarchic accretion) 段階에 접어든다. 最終的으로 다양한 크기의 行星 胚芽(planetary embryo)들이 만들어지며 胚芽의 크기는 中心별로부터의 距離에 따라 달라진다. ^[17] 多樣한 模擬實驗을 통해 元是行星界圓盤 안쪽 地帶에서 行星 胚芽들끼리 融合하여 地球 크기 天體 여러 個가 태어남을 確認했다. 따라서 地球型 行星 의 起源은 現在 거의 解決된 問題로 보인다. ^[18]

現在 論點 [ 編輯 ]

降着圓盤의 物理學은 몇 가지 問題에 直面하게 된다. ^[19] 가장 重要한 問題點은 遠視恒星이 끌어모은 物質이 角運動量을 잃는 過程이 確實히 밝혀지지 않았다는 것이다. 이 疑問에 對해 한네스 알벤 이 主張한 假說로 '황소자리 T型 段階를 거치는 동안 太陽風이 圓盤에 있던 角運動量을 흘려 보냈다'라는 것이 있다. 運動量은 粘性應力 에 依해 圓盤 바깥쪽 領域으로 옮겨졌다. ^[20] 巨視的 亂流가 粘性을 만들지만 亂流가 생겨나는 正確한 메커니즘은 正確히 밝혀지지 않았다. 角運動量이 흘러나가는 過程을 說明하는 假說 中 하나로 自己摩擦이 있는데 恒星은 磁氣場을 통하여 回轉 에너지를 周邊에 둘린 圓盤으로 옮긴다. ^[21] 圓盤의 氣體가 사라지는 데에 가장 큰 寄與를 하는 過程은 點性擴散 과 狂症發 이다. ^{[22] [23]}

미행성 의 生成過程은 星雲圓盤模型에서 가장 까다로운 未解決 問題이다. 어떻게 1 센티미터 크기 粒子가 1 킬로미터 크기 미행성 으로 뭉칠 수 있는지는 수수께끼이다. 이 過程이 糾明된다면 어떤 恒星에는 行星界 가 있는 反面 어떤 恒星에는 먼지 圓盤 조차 없는 理由를 알 수 있을 것이다. ^[24]

가스行星이 生成되는 데 걸리는 時間 또한 重大한 疑問點이다. 旣存 理論으로는 빠르게 사라지는 元是行星界圓盤으로부터 어떻게 가스行星의 中心核이 엄청난 量의 氣體를 끌어 모을 수 있었는지를 說明할 수 없었다. ^{[17] [25]} 1千萬 年이 안 되는 圓盤의 平均 壽命은 木星級 天體의 中心核 形成에 必要한 時間보다 짧다. ^[14] 이 問題를 窮理하는 過程에서 理論上 많은 發展이 이루어졌다. 가스行星 誕生에 關한 最近 模型들에 따르면 最小 木星級의 무거운 行星이 約 400萬 年 또는 그보다 짧은 時間 만에 만들어질 수 있다고 한다. 이 期間은 元是行星界圓盤의 壽命보다 確實히 짧다. ^{[26] [27] [28]}

가스行星들의 軌道 移動 또한 潛在的인 疑問點이다. 一部 計算들로부터 圓盤과의 相互作用이 안쪽으로 빠르게 移動하는 原因이 됨을 알 수 있다. 萬若 移動이 멈추지 않는다면 '準木星級 天體 狀態를 維持하면서 中心별 가까이를 돌게 된다.' ^[29] 보다 最近의 計算에 따르면 行星이 移動하는 中 圓盤의 進化가 일어난다고 假定했을 때 疑問點이 어느 程度 解消된다고 한다. ^[30]

별과 元是行星界圓盤의 生成 [ 編輯 ]

原始별 [ 編輯 ]

恒星은 太陽 質量의 約 30萬 倍, 지름 約 65光年에 이르는 巨大하고 차가운 分子水素 구름 속에서 태어나는 것으로 보인다. ^{[2] [31]} 數百萬 年 時間이 흐르면서 巨大分子구름은 崩壞하고 조각나게 된다. ^[32] 이 彫刻들은 작고 密度 높은 核을 만들며 이 核은 崩壞하여 恒星이 된다. ^[31] 核의 質量은 太陽 質量의 一部分에서부터 數 倍에 이르며 遠視항성星雲으로 불린다. ^[2] 遠視항성星雲의 지름은 2,000?20,000 AU, 粒子水蜜桃 는 大略 10,000 ~ 100,000 cm ^?3 이다. ^{[a] [31] [33]}

太陽 程度 質量의 遠視항성星雲이 崩壞하는 데에는 約 10萬 年이 걸린다. ^{[2] [31]} 모든 星雲은 일정한 量의 角運動量 을 지닌 狀態에서 進化를 始作한다. 星雲의 中心部에 있는 機體는 相對的으로 角運動量이 낮으며 빠르게 壓縮되어 뜨거운 流體靜力學的 中心核(收縮하지 않음)을 形成한다. ^[34] 이 核은 張差 恒星 이 될 씨앗이다. ^{[2] [34]} 崩壞가 繼續되나 角運動量은 保存되므로 墜落하는 外皮層의 回轉速度가 빨라지며 ^{[35] [36]} 이는 氣體가 中心部 核 表面에 곧장 降着되는 것을 막는다. 代身 機體는 中心部 核의 赤道面을 따라 바깥쪽으로 퍼져나가며 核의 赤道面 가까이 圓盤을 形成하고 그 다음으로 核 表面에 降着된다. ^{[2] [35] [36]} 中心部의 質量은 持續的으로 增加하여 젊고 뜨거운 原始별이 된다. ^[34] 이 段階에서 原始별과 圓盤은 中心을 向해 떨어지는 外皮 物質에 두텁게 가려서 直接 觀測할 수 없다. ^[13] 事實 남아 있는 外皮의 불透明度가 너무 높아서 밀리미터波 複寫조차도 그 안에서부터 脫出하기 어렵다. ^{[2] [13]} 이런 天體들은 매우 밝은 凝縮體처럼 보이며 主로 밀리미터波와 서브밀리미터波 複寫를 뿜어낸다. ^[33] 이들은 分光型上 0型 遠視別로 分類된다. ^[13] 崩壞는 흔히 圓盤 自轉軸을 따라 南北極에서 뿜어져 나오는 雙極流( 제트 )를 同伴한다. 제트는 恒星이 태어나는 領域( 虛빅-아로天體 )에서 頻繁히 觀測된다. ^[37] 0型 原始별의 光度는 높아서 太陽 質量 程度의 原始별은 太陽광도 100倍 밝기로 빛날 것이다. ^[13] 原始별의 中心核이 아직 核融合을 始作할 만큼 뜨겁지 않기 때문에 이 빛 에너지의 源泉은 重力崩壞 이다. ^{[34] [38]}

外皮의 物質이 圓盤에 繼續 떨어지면서 外皮는 終局的으로 濃度가 옅어지다가 透明해져서 젊은 항성體 (YSO)는 처음에는 遠赤外線 에서, 나중에는 可視光線 波長에서 觀測 可能하게 된다. ^[33] 이 때를 전후하여 原始별은 重水素 를 태우기 始作한다. 萬若 原始별이 充分히 무거우면(목성질량의 80倍 以上) 水素 融合 이 뒤따라온다. 萬若 天體의 質量이 너무 작으면 褐色 矮星이 된다. ^[38] 이 새로운 恒星이 태어나는 데 걸리는 時間은 星雲의 崩壞가 始作된 뒤로 約 10萬 年이다. ^[2] 이 段階에서의 天體들은 I型 遠視別로 ^[13] '進化한 原始별' 或은 '젊은 항성體', '젊은 황소자리 T型 恒星'으로도 불린다. ^[13] 이 時點까지 原始별은 圓盤 全體의 質量 中 大部分을 강착하였고 남은 外皮 質量은 젊은 항성體 質量의 10~20%를 넘지 않는다. ^[33]

다음 段階에서 圓盤에 依해 物質을 빼앗긴 外皮는 完全히 사라지고 原始별은 典型的인 황소자리 T型 恒星이 되며 ^[b] 여기에 걸리는 時間은 約 100萬 年이다. ^[2] 典型的인 황소자리 T型 恒星 周邊에 있는 圓盤의 質量은 恒星 質量의 約 1~3%이며 1年에 太陽質量 10 ^?7 배의 物質이 中心별에 降着된다. ^[41] 이 때 普通 한 雙의 雙極流 제트 도 共存한다. ^[42] 降着은 放出線에서의 强한 플럭스(恒星의 本來 광도의 100%까지 올라감), 磁氣場 活動, 鑛區 活動의 變動, 제트 等 황소자리 T型 恒星의 特異한 現象들의 原因이다. ^[43] 방출선은 降着된 氣體가 恒星의 '表面'을 實際로 때릴 때 形成되며 이는 恒星의 刺戟 近處에서 發生한다. ^[43] 제트는 降着의 副産物이며 餘分의 角運動量을 가지고 나간다. 典型的인 황소자리 T型 恒星 段階는 約 1千 萬 年 持續된다. ^[2] 中心別로의 物質降着, 行星 生成, 제트에 依한 放出, 中心별·隣接 恒星의 UV 輻射로 因한 狂症發 等으로 인해 圓盤은 結局 사라진다. ^[44] 그 結果 젊은 恒星은 藥選 황소자리 T型 恒星이 되며 數 億 年의 時間에 걸쳐 천천히 平凡한 太陽型 恒星 으로 進化한다. ^[34]

元是行星界圓盤 [ 編輯 ]

元是行星界圓盤으로 불리기도 하는 이 圓盤에서 特定 狀況이 만족되면 行星界 가 誕生한다. ^[2] 젊은 星團에 있는 恒星 周邊에는 매우 높은 確率로 元是行星界圓盤이 觀測된다. ^{[14] [46]} 圓盤은 恒星이 태어날 時點부터 存在하지만 劇初盤 段階에서는 恒星 周邊에 둘리어 있는 外皮(外皮)의 不透明度 때문에 눈에 보이지 않는다. ^[13] 0型 原始별의 圓盤은 中心에 있는 原始별에 物質을 供給하는 降着圓盤 이다. 이 圓盤은 質量이 크고 뜨거운 것으로 보이는데 ^{[35] [36]} 항성으로부터 5 AU 안쪽은 400 K , 1 AU 안쪽 溫度는 1000 K를 가볍게 넘어간다. ^[47] 圓盤이 加熱되는 原因은 主로 圓盤 內 暖流 의 粘性消失 과 星雲 으로부터의 가스 流入 때문이다. ^{[35] [36]} 안쪽 圓盤은 溫度가 높아서 揮發性 物質( 물 , 有機物 , 一部 鑛物)은 蒸發하며 철 처럼 熱에 잘 견디는 物質 만이 남는다. 얼음 은 圓盤의 바깥쪽 部分에서만 살아남을 수 있다. ^[47]

降着圓盤의 物理學에서 주된 問題點은 ' 暖流 의 發生'과 '높은 有效點도 의 原因이 되는 메커니즘'이다. ^[2] 暖流의 粘性 은 質量 이 中心部 遠視別로, 運動量 이 圓盤 周邊部로 輸送 되는 原因으로 보인다. 이는 降着에 반드시 必要하다. 왜냐하면 恒星은 바깥쪽으로 밀려나는 一部 가스에 角運動量을 실어 보내는 方式으로 갖고 있던 角運動量 大部分을 잃어버려야 가스를 끌어당겨 자라날 수 있기 때문이다. ^{[35] [48]} 이 過程의 結果 原始별과 圓盤 半지름 둘 다 增加한다. 圓盤 半지름은 萬若 初期 星雲의 角運動量이 充分히 크면 1000 AU에 이를 수 있다. ^[36] 오리온 星雲 처럼 多數 항성誕生領域에서 巨大한 圓盤들이 흔하게 觀測된다. ^[15]

降着圓盤의 壽命은 約 1千萬 年이다. ^[14] 恒星이 典型的인 황소자리 T型 段階에 이르면 圓盤은 얇아지고 차가워진다. ^[41] 揮發性이 弱한 物質은 圓盤 中心部 近處에서 凝縮하기 始作하여 結晶質 硅酸鹽 을 包含한 0.1 ~ 1 μm 크기의 먼지粒子를 生成한다. ^[16] 바깥쪽 圓盤으로부터 物質이 移動해 오면서 이 새로 形成된 먼지粒子들과 元來 있던 元素들(有機物質과 其他 揮發性 物質을 包含)을 섞을 수 있다. 이 混合作用으로 遠視 隕石 에 星間먼지 粒子가 있거나 彗星 에 耐火性 物質이 섞인 것과 같이 太陽系 天體들의 造成물에 나타나는 몇몇 特異性들을 說明할 수 있다. ^[47]

먼지粒子들은 密度 높은 圓盤環境에서 서로 달라붙는 傾向이 있어서 좀 더 큰 數 센티미터 크기 粒子들로 자라난다. ^[50] 赤外線 波長에서 圓盤 內 먼지粒子의 成長과 凝固 過程을 觀測할 수 있다. ^[16] 融合이 進陟되면 지름 1 킬로미터 或은 그 以上 크기의 尾行星이 生成되며 이는 行星을 만드는 材料가 된다. ^{[2] [50]} 單純 接着(接着)은 먼지粒子가 커질수록 非效率的으로 되기 때문에 微行星의 生成原理는 圓盤 物理學에서 또다른 未解決 問題이다. ^[24]

이를 說明하기 위한 試圖로 진스不安定에 依한 生成 假說이 있다. 수 센티미터 또는 그 以上 크기의 粒子들은 願反面을 中心으로 천천히 모여든 뒤 100 km 以下 두께의 매우 얇고 密度 높은 層을 만든다. 이 層은 重力敵으로 不安定하여 수많은 덩어리로 쪼개진 뒤 崩壞하여 尾行星이 된다. ^{[2] [24]} 그러나 機體 圓盤과 願反面 가까이 있는 固體物質들의 速度 差異로 亂流가 만들어질 수 있다. 이 暖流는 粒子層이 얇아져서 重力적 不安定으로 쉽게 쪼개지는 것을 막으며 ^[51] 圓盤 特定場所에서 固體物質의 集中度가 높아져 重力이 不安定해지고 尾行星이 생겨나는 것을 妨害할 것이다. ^[52]

미행성 形成을 說明할 수 있는 또다른 메커니즘으로 '흐름 不安定性'(streaming instability)이 있다. 粒子들이 氣體의 抵抗을 받으면 되먹임 效果가 發生하여 特定 領域의 粒子 濃度가 上昇한다. 이렇게 濃度가 짙어진 곳(集中體)은 圓盤 內 氣體가 粒子들에 加해지는 맞바람이 弱해지는 領域을 만들도록 한다. 따라서 이 集中體는 더 빠르게 空轉할 수 있으며 放射 흐름의 影響을 덜 받는다. 孤立된 粒子들이 集中體에 빨려 들어가면서 集中體의 質量은 增加한다. 最終的으로 이 集中體들은 質量 큰 필라멘트 構造가 되며 이 構造들은 다시 쪼개지고 重力에 依해 崩壞하여 大型 小行星 規模의 微行星을 만든다. ^[53]

圓盤 自體의 重力적 不安定 때문에 行星의 誕生이 發動될 수 있다. 不安定한 重力은 圓盤을 여러 덩어리로 쪼개 놓는다. 쪼개진 덩어리 中 一部는 充分히 密度가 높을 境遇 崩壞할 것이며 ^[48] 이 崩壞로 가스行星이나 더 나아가 褐色 矮性 은 1000年이라는 짧은 時間 內에 빠르게 만들어진다. ^[54] 萬若 이 덩어리들이 崩壞가 進陟되면서 恒星 가까이로 軌道를 옮길 境遇 恒星의 潮汐力 때문에 莫大한 質量損失이 일어나 덩어리 一部만 남을 수 있다. ^[55] 그러나 이 過程은 圓盤 質量이 太陽質量의 30%보다 큰 곳에서만 可能하다. 이와 比較하여 典型的인 圓盤 質量은 太陽質量의 1~3%이다. 質量이 큰 圓盤은 드물기 때문에 상기 行星誕生 메커니즘은 흔치 않을 것으로 보인다. ^{[2] [19]} 反對로 이 메커니즘은 褐色 矮星의 誕生에 重要한 役割을 擔當할 수도 있다. ^[56]

元是行星界圓盤이 所産(消散)되는 것에 發動을 거는 메커니즘은 여러 가지가 있다. 圓盤 안쪽 部分 物質은 中心별에 吸收되거나 雙極流 제트 에 依해 界 밖으로 내쳐지며 ^{[41] [42]} 圓盤 바깥쪽 部分은 황소자리 T型 恒星 期間 中 中心별이나 近處 恒星 ^[44] 의 强力한 紫外線 複寫가 일으키는 狂蒸發效果 에 흩어진다. ^[57] 圓盤 中心部의 機體는 자라나는 行星에 依해 降着되거나 내쳐지고, 작은 먼지 粒子들은 中心별의 輻射壓 에 밀려난다. 마지막에 남는 것은 行星界 또는 行星 없는 먼지圓盤 殘骸이다. 萬若 尾行星이 생겨나지 못했다면 아무것도 남지 않는다. ^[2]

미행성들은 數爻가 매우 많고 元是行星界圓盤 全體에 걸쳐 퍼져 있기 때문에 一部는 行星界가 生成된 뒤에도 살아남는다. 小行星은 殘存한 微行星들끼리 摩擦이 일어나 덩치가 작아진 것으로 推定되며 彗星은 行星界 바깥쪽에서 안쪽으로 들어온 微行星으로 보인다. 隕石 은 行星 表面에 到達한 微行星의 標本으로 太陽系 誕生에 關해 엄청난 量의 情報를 提供한다. 原始型(原始形, Primitive-type) 隕石은 質量이 작은 尾行星이 散散조각 난 덩어리로 熱的 分化가 일어나지 않았다. 反面 進行形(進行形, processed-type) 隕石은 質量 큰 尾行星이 散散조각난 덩어리이다. ^[58]

行星들의 生成 [ 編輯 ]

巖石行星 [ 編輯 ]

太陽星雲圓盤模型에 따르면 巖石行星 들은 元是行星界圓盤의 안쪽 部分에서 생겨난다. 이 곳은 凍結線 안쪽으로 溫度가 높아서 얼음 및 其他 物質들이 粒子로 뭉쳐지지 못하며 ^[59] 代身 純粹한 巖石으로 이루어진 알갱이들이 生成되는데 이것들이 巖石質 미행성 으로 뭉쳐진다. ^{[c] [59]} 이런 條件들을 滿足하는 環境은 太陽 비슷한 恒星의 境遇 별로부터 3 ~ 4 AU 안쪽 圓盤 地域으로 보인다. ^[2]

어떻게든 1 킬로미터 程度 되는 작은 미행성들이 생겨나면 暴走降着(runaway accretion)李 始作된다. ^[17] 質量增加비가 R ⁴ ~M ^4/3 에 比例하므로 '暴走'로 表現한다. 여기에서 R은 微行星의 半지름, M은 質量이다. ^[60] 天體의 質量이 增加할수록 成長 速度가 增加하는 것은 確實하다. 이 때문에 작은 天體와 큰 天體는 그 덩치가 兩極化 되는 樣相을 보인다. ^[17] 暴走降着은 1萬 ~ 10萬 年 사이 期間 동안 持續되며 第一 큰 天體들의 지름이 大略 1000 km를 넘어가면 끝난다. ^[17] 남아 있는 미행성들에 對해 커다란 天體들이 重力으로 攪亂을 일으키면 降着은 느려진다. ^{[17] [60]} 거기에 커다란 天體들은 작은 天體들이 더 자라나는 것을 멈추게 만든다. ^[17]

다음 段階는 寡頭降着(oligarchic accretion)으로 불린다. ^[17] 이 段階는 寡頭天體(oligarch)로 불리는 커다란 天體들 數百 個가 一帶를 壓倒하는 것으로 특징지을 수 있으며 이들은 천천히 미행성들을 吸收한다. ^[17] 이 段階에서는 오직 寡頭天體들만이 덩치를 불릴 수 있으며 ^[60] 寡頭天體의 幾何學的 橫斷面으로부터 計算한 降着比率은 R ² 에 比例한다. ^[60] 이 降着費는 M ^?1/3 에 比例하는데 이는 天體의 質量이 增加하면 降着 速度가 減少함을 뜻한다. 이 때문에 작은 寡頭天體가 成長하여 큰 天體를 따라잡는 게 可能해진다. 남아 있는 미행성들의 影響 때문에 寡頭天體들은 大略 10·H _r [ H _r = a(1-e)(M/3M _s ) ^1/3 은 힐 半지름이다. 여기에서 a는 긴半지름 , e는 軌道 離心率 , M _s 는 中心별의 質量이다.]만큼 서로 떨어져 있다. ^[17] 이들의 軌道 離心率과 傾斜角은 작게 維持된다. 寡頭天體들은 周邊 圓盤에 있던 미행성들이 枯渴될 때까지 降着을 繼續한다. ^[17] 가끔은 隣接한 寡頭天體끼리 합쳐지기도 한다. 어떤 寡頭天體의 最終質量은 항성으로부터의 距離, 미행성들의 表面密度에 달려 있고 이를 '孤立 質量'(isolation mass)으로 부른다. ^[60] 巖石行星의 境遇 孤立 質量은 最大 地球의 10% 또는 華城 質量 程度이다. ^[2] 寡頭段階의 마지막에 大略 달質量 100倍 ~ 火星質量 程度 나가는 行星 倍아들은 約 10·H _r 의 일정한 間隔을 두고 空間을 차지한다. ^[18] 이들은 圓盤 안쪽의 '틈'을 따라 돌며, 殘存 微行星으로 이루어진 띠들이 寡頭行星들을 서로 떨어뜨려 놓는다. 이 段階는 數十萬 年 程度 持續될 것이다. ^{[2] [17]}

巖石行星 誕生의 마지막 段階는 '合倂 段階'이다. ^[2] 남아 있는 미행성 數가 적고 行星 倍아들의 質量이 커져 서로를 흔들기에 充分해지면 미행성들의 軌道는 혼란스러워진다 . ^[18] 이 段階 동안 行星倍아들은 남아 있는 미행성들을 바깥으로 내치며 서로 衝突한다. 1千萬 ~ 1億 年 동안 進行되는 이 過程의 結果 極히 적은 數의 地區 程度 크기 天體만이 살아남는다. 行星 倍아들 中 軌道가 楕圓形인 行星은 엇갈려 衝突하지만, 比較的 原形에 가까운 行星들은 그렇지 않고 살아남는 데 유리하기 때문이다. ^[61] 模擬實驗에서 살아남는 行星의 數는 平均 2個에서 5個로 나왔다. ^{[2] [18] [58] [62]} 太陽系의 境遇 地球와 金星이 이 生存者의 例示이다. ^[18] 두 行星의 形成에 大略 總 10~20個 行星胚芽 合倂이 必要했으며 同時에 이와 비슷한 數의 胚芽가 太陽系 밖으로 내쳐져 날아갔다. ^[58] 小行星帶에서 온 胚芽 行星 中 一部는 地球에 물을 가지고 온 것으로 推測된다. ^[59] 火星과 水星은 앞의 競爭에서 살아남은 殘留 行星胚芽로 推定할 수 있다. ^[58] 運좋게 살아남아 덩치를 키울 수 있었던 巖石 行星들은 窮極的으로는 어느 程度 安定된 軌道에 定着하는데 이들은 왜 行星界가 一般的으로 限界點까지 쭈그러드는지 또는 왜 行星界가 恒常 不安定한 狀態에 處해 있는 것처럼 보이는지를 알려준다. ^[18]

가스行星 [ 編輯 ]

가스行星이 어떻게 생겨나는가는 行星科學 에서 아직 解決되지 않은 問題거리이다. ^[19] 太陽성운모兄의 體系 안에서 가스 行星의 生成에 關해 두 가지 理論이 存在한다. 첫 番째는 '圓盤 不安定 模型'이다. 이 理論에서 가스行星들은 質量 큰 元是行星界圓盤 物質이 重力敵으로 分裂한 結果 태어난다. ^[54] 두 番째 可能性은 '核 降着 模型' 또는 '核 不安定 模型'이다. ^{[19] [30]} 두 시나리오 中 後者가 有力해 보이는데 그 理由는 相對的으로 작은 質量(太陽 質量의 10% 未滿)의 圓盤에서 가스行星이 태어나는 것을 說明할 수 있기 때문이다. ^[30] 이 模型에서 가스行星 生成은 두 段階로 나뉜다. 1. 大略 地球質量 10倍 程度의 中心核이 뭉쳐친다. 2. 元是行星界圓盤으로부터 가스가 降着된다. ^{[2] [19]} 두 理論은 褐色 矮性 의 形成 過程도 說明할 수 있다. ^{[27] [63]} 2011年 基準 硏究結果를 보면 核 降着 模型이 行星 生成 메커니즘의 主流인 것으로 보인다. ^[63]

가스行星의 中心核 生成은 大體로 巖石行星 生成과 비슷한 時期에 進行되는 것으로 보인다. ^[17] 中心核은 처음 미행성 段階에서는 暴走成長을 하다가 두 番째 寡頭 段階(oligarchic stage)에서 成長速度가 느려진다. ^[60] 항성으로부터 먼 곳에서는 行星胚芽끼리의 衝突 可能性이 낮기 때문에 假說上 地球型 行星과 같은 倂合 段階는 없었으리라 豫測하고 있다. ^[60] 追加的인 差異는 所謂 凍結線 너머에서 가스行星이 생겨나는 境遇 微行星의 造成물이 主로 얼음(얼음 臺 巖石 比率이 大略 4代 1)으로 이루어져 있다는 것이다. ^[25] 이 比率은 微行星의 質量을 네 倍 불려준다. 그러나 地球型 行星이 誕生 可能한 最小質量의 元是行星界圓盤은 木星 程度의 距離(5 AU)에서 1千萬 年 동안 地球 質量의 1~2倍 程度 核만을 만들 수 있다. ^[60] 여기에서 1千萬 年은 太陽 비슷한 恒星 周邊에 가스圓盤이 維持되는 平均 時間을 뜻한다. ^[14] 여기에 對한 說明으로 圓盤 質量이 旣存 假說보다 10倍 컸고 ^[60] 胚芽 行星이 軌道를 變更하여 보다 많은 微行星을 강착했고 ^[25] 마지막으로 胚芽 行星의 機體 外皮가 周邊 氣體를 끌어당겨 降着 速度가 빨라졌다는 것 等이 있다. ^{[25] [28] [64]} 위에 言及한 假說들을 組合하여 普通은 木星, 或은 土星의 中心核 形成까지 說明할 수 있을 것이다. ^[19] 天王星과 海王星과 같은 行星들의 形成 過程은 더욱 不確實한 點이 많은데 어떤 理論도 中心別로부터 20~30 AU 떨어진 두 行星의 現在 位置에서 中心核이 생겨나는 原理를 說明하고 있지 못하기 때문이다. ^[2] 이를 說明하기 위한 假說 中 하나로 두 行星은 처음에 木星-土星 領域에서 降着되었으나 重力에 依해 밀려나 現在 位置로 移動했다는 것이 있다. ^[65] 다른 可能性 있는 假說로 가스行星의 核은 자갈降着(pebble accretion) 段階를 거쳐 成長했다는 것이 있다. 자갈裝着에서 지름 1cm ~ 1m 物體들은 무거운 天體 表面으로 墜落할 때 機體의 抵抗 때문에 速度가 느려지고 螺旋을 그리면서 다가간 뒤 表面에 降着된다. 자갈降着 方式의 成長速度는 미행성 降着에 依한 成長보다 1000倍 더 빠를 것이다. ^[66]

一旦 質量이 充分하다면(지구 質量의 5~10倍) 中心核은 周邊 圓盤으로부터 氣體를 끌어당기기 始作한다. ^[2] 처음에는 數百萬 年에 걸쳐 地球 質量의 30倍 程度까지 質量增加가 느리게 進行된다. ^{[25] [64]} 그 後 降着速度는 劇的으로 增加하여 나머지 90% 質量은 約 1萬 年만에 蓄積된다. ^[64] 行星이 物質을 吸收한 곳을 따라 圓盤에 '密度 낮은 틈'이 생겨나고 圓盤이 解體되면서 降着 速度는 徐徐히 줄어든다. 圓盤에 있던 物質이 모두 枯渴되면 機體 降着은 멈춘다. ^{[30] [67]} 이 模型에서 天王星 이나 海王星 과 같은 얼음 가스行星은 거의 모든 氣體가 이미 사라진 뒤 降着이 너무 늦게 始作된 '失敗한 中心核'이다. 暴走降着 以後 段階에서 새로 생겨난 가스行星들은 軌道를 變更하여 移動하며 降着 速度는 느려진다. ^[67] 行星이동은 圓盤의 틈에 있는 行星과 남아 있는 圓盤과의 相互作用 때문에 發生한다. 行星이동은 元是行星界圓盤이 사라지거나 行星이 圓盤의 끝에 다다랐을 때 멈춘다. 後者의 境遇를 이른바 ' 뜨거운 木星 '이라고 하는데 이들은 元是行星界圓盤의 안쪽 空白地帶까지 軌道를 옮긴 後 移動을 멈춘 것으로 보인다. ^[67]

가스行星은 地球型 行星의 生成에 莫大한 影響을 끼칠 수 있다. 가스行星의 存在는 巖石行星 領域(太陽系의 境遇 太陽으로부터 4 AU 안쪽)에 있는 尾行星 및 行星胚芽들의 離心率 과 傾斜角 을 증가시키는 傾向이 있다.(코자이 메커니즘) ^{[58] [62]} 萬若 가스行星들이 너무 일찍 생겨난다면 이들은 內行星이 자라나는 速度를 느리게 하거나 或은 成長 自體를 不可能하게 만들 수 있다. 反面에 우리 太陽系의 境遇처럼 가스行星이 寡頭降着 段階의 마지막 時期에 생겨난다면 이들은 行星胚芽들끼리 보다 激烈하게 倂合하게 만들고 ^[58] 그 結果 巖石 行星의 數는 줄어들고 質量은 보다 커진다. ^[68] 덧붙여 行星界의 크기는 쭈그러드는데 그 理由는 巖石行星들이 中心별에 보다 가까운 곳에서 태어날 것이기 때문이다. 太陽系에서 가스行星들(特히 木星)의 影響力은 制限的이었던 것으로 보이는데 그 理由는 이들이 地球型 行星들로부터 相對的으로 멀리 떨어져 있었기 때문으로 보인다. ^[68]

行星界에서 가스行星과 가까운 領域은 地球型 行星 地帶와는 다른 方式으로 影響을 받을 것이다. ^[62] 이런 場所에서 行星胚芽들의 軌道 離心率은 매우 커져서 가스行星 가까이를 지나가게 되며 이 때문에 倍아들은 行星界에서 내쳐질 것이다. ^{[d] [58] [62]} 行星胚芽가 모두 除去되면 이 領域에서 行星은 더 以上 생겨나지 않는다. ^[62] 以後에도 莫大한 數의 尾行星이 살아 남는데 이는 가스行星들은 行星胚芽의 도움 없이 미행성들을 모두 淸掃할 수 없기 때문이다. 生存한 미행성들의 총질량은 微微한 水準인데 그 理由는 내쳐지기 前의 行星倍아들과 가스行星들의 累積된 움직임은 작은 天體들 99%를 除去하기에 充分할 程度로 如前히 强力하기 때문이다. ^[58] 이 領域은 終局的으로 太陽으로부터 2~4 AU에 位置한 小行星帶 와 아주 恰似한 模樣으로 進化할 것이다. ^{[58] [62]}

降着의 뜻 [ 編輯 ]

單語 ' 降着 '은 元是行星界圓盤의 進化에서 두 가지 意味로 쓰이므로 區別할 必要가 있다. 첫 番째는 元是行星界圓盤의 中心별에 物質이 떨어지는 것을 의미하는 것이다. 젊은 황소자리 T型 原始별이 收縮하는 동안 가스가 圓盤의 안쪽 境界에서 恒星 表面으로 떨어지기 때문에 元是行星界圓盤을 가끔 降着圓盤으로 바꿔 부를 때가 있다. ^[36] 이 降着圓盤에서는 圓盤 바깥쪽에서 안쪽으로 質量의 眞流量(眞流量, net flux of mass)이 發生한다. ^[20]

두 番째는 行星이 生成되는 過程을 表現할 때이다. 이 境遇 降着의 意味는 '元是行星界圓盤 內 原始별을 도는 冷却되고 固體化 된 먼지와 얼음의 粒子들이 서로 부딪치고 달라붙어 漸漸 자라나고 크게는 微行星끼리 高에너지 衝突을 일으키는 것'을 뜻한다. ^[17]

가스行星들은 태어난 後 첫 番째 意味에서 한때 自身만의 降着圓盤을 가졌을 것이다. ^[69] 遠視 가스行星의 重力에 붙잡힌 水素 와 헬륨 機體 구름은 凝縮하고 回轉 速度가 빨라지면서 平平해진 뒤 行星 表面에 物質을 떨어뜨렸다. 同時에 圓盤 內 固體 物質들은 가스行星의 巨大 衛星들 로 자라났을 것이다. ^[70]

各州 [ 編輯 ]

內容主 [ 編輯 ]

參照週 [ 編輯 ]

같이 보기 [ 編輯 ]

• 太陽系의 形成과 進化
• 遠視 行星界 圓盤