요약:
NASA의 제임스 웹 우주 망원경(JWST)이 태양과 비슷한 수십 개의 별을 관찰한 결과, 행성 형성 원반에서 가스를 제거하는 힘이 항성계가 성숙해짐에 따라 변한다는 사실이 드러났습니다.
어린 별 주위에 행성을 만드는 데 사용된 가스가 계속해서 사라지고 있습니다. Webb 망원경의 새로운 관측에 따르면 이러한 가스 손실은 행성계 초기 진화의 모든 단계에서 동일한 방식으로 발생하지 않는다는 것을 보여줍니다. 대신, 시스템에서 물질을 운반하는 역할을 하는 항성풍은 시스템이 노화됨에 따라 변화하는 것처럼 보입니다.
애리조나 대학교의 나만 바자즈(Naman Bajaj)가 주도하고 SETI 연구소의 과학자인 우마 골디(Uma Goldi)가 참여한 이 연구는 태양과 같은 어린 별 72개 주위의 원시행성 원반을 분석했습니다. 이것은 현재까지 행성 형성에 대한 가장 큰 Webb 망원경 연구 중 하나입니다. 이번 연구는 원시행성 원반 진화의 다양한 단계에서 다양한 가스 제거 메커니즘이 지배적이라는 사실을 발견했습니다. 관련 결과가 Astronomical Journal에 게재되었습니다.
흥미롭게도 연구자들은 이제 대규모의 젊은 별 샘플을 사용하여 행성 형성 원반에서 가스를 제거하는 메커니즘이 시간이 지남에 따라 어떻게 변하는지 관찰할 수 있다고 말했습니다. 원시 행성 원반의 소멸은 행성 형성을 위한 기본 시계를 설정합니다. 가스가 사라지면 가스가 풍부한 거대 행성이 형성될 가능성은 본질적으로 끝납니다.
오늘날 태양계의 나이는 약 45억년이고 대부분이 비어 있습니다. 그러나 태양이 탄생한 후 처음 수백만 년 동안 어린 태양은 밀도가 높은 원시행성 원반으로 둘러싸여 있었는데, 그 원반의 가스 질량은 먼지 질량의 약 100배였습니다. 결국 이 가스의 대부분은 사라집니다.
원시행성원반에 있는 가스는 목성이나 토성과 같은 거대 행성이 형성되는 원료이기 때문에 가스가 사라지는 속도는 매우 중요합니다. 가스가 조기에 소멸되면 행성은 상당한 규모의 대기를 형성할 시간이 없을 수 있습니다.
Bajai와 동료들은 Webb 망원경의 MIRI(중적외선 장비)에서 보관된 관측 자료를 사용하여 원시행성 원반의 진화를 재구성했습니다. 이 72개의 항성계는 젊은 행성계의 다양한 발달 단계에 있습니다. 연구자들은 원시행성 원반에서 가스를 제거하는 메커니즘이 나이에 따라 어떻게 변하는지 추적하기 위해 이를 진화적 순서로 결합했습니다.
이 연구는 또한 Webb 망원경이 문제의 물질을 직접 관찰할 수 있기 전에 이루어진 이론적 예측을 테스트합니다. 2020년에는 달 및 행성 연구소의 Ilariya Pascucci 교수가 논문의 두 번째 저자이자 Bajaj의 멘토로 활동했습니다. 그녀는 한때 제트기와 항성풍의 진화를 연구하도록 팀을 이끌었습니다. 당시 연구진은 아직 웹 망원경이 가동되지 않아 분자수소를 직접 관찰할 수는 없었지만, 젊은 별계에는 X선 광자를 차단할 만큼 거대한 분자풍이 있을 수 있다고 예측했다. 이번에 Webb 망원경은 분자 수소를 직접 추적하여 이러한 예측을 확인했습니다.
연구원들은 원형 행성 원반에서 빠져나가는 두 가지 가스, 즉 분자 수소와 이온화된 네온의 신호에 초점을 맞췄습니다. 분자 수소는 원시행성 원반에서 가장 풍부한 분자입니다. Webb 망원경의 탁월한 감도와 공간 분해능 덕분에 연구자들은 네온 추적 제트 및 항성풍과 광범위한 분자 수소풍을 구별할 수 있었습니다.
가장 어린 별계에서는 물질이 여전히 중심별을 향해 떨어지고 있습니다. Webb 망원경은 이러한 시스템에 분자 및 원자 가스를 모두 포함하는 강력한 제트와 광범위한 유출이 있음을 발견했습니다. 이들의 특성은 원시행성 원반을 관통하는 자기장에 의해 추진되는 항성풍과 일치합니다. 가스는 자기장 선을 따라 바깥쪽으로 이동하여 그 과정에서 질량과 각운동량을 빼앗을 수 있습니다.
성계가 성숙해짐에 따라 중심 별 쪽으로 떨어지는 물질의 양이 줄어들고 제트가 약해지기 시작하며 유출되는 원자 가스의 비율이 점점 더 높아집니다. 고에너지 방사선을 차단하는 물질이 적기 때문에 어린 별에서 방출되는 고에너지 방사선은 원시행성 원반 깊숙히 침투하여 탈출할 수 있을 만큼 가스를 가열할 수 있습니다. 이 과정을 광증발이라고 합니다.
골디는 광증발풍 생성에서 자외선과 X선 복사의 역할을 포함하여 원시행성 원반의 진화와 가스 손실 과정을 수십 년 동안 연구해 왔습니다. Webb 망원경은 이제 수십 개의 젊은 별계에 대한 관측을 통해 이 이론적 연구를 실제 측정과 연결했습니다. 관측에 따르면 원시행성 원반이 노화됨에 따라 광증발의 중요성이 증가하는 반면 자기장에 의한 제트와 항성풍은 점차 약화되는 것으로 나타났습니다.
관찰 결과에 따르면 원시행성 원반의 소멸은 단일 메커니즘으로 제어되지 않습니다. 젊은 행성계는 초기 단계의 강력한 자기장 구동 제트와 항성풍에 의해 지배되던 것에서 점차 광증발풍을 포함한 원자 가스 유출에 의해 지배되는 것으로 전환되는 것으로 보입니다.
이 주요 메커니즘의 변화는 행성이 형성하는 데 필요한 가스를 얼마나 오랫동안 얻을 수 있는지를 결정합니다.
행성 형성은 실제로 시간과의 싸움이라고 Bajaj는 말했습니다. 목성과 같은 가스 거인은 원시행성 원반이 가스를 지속적으로 공급할 수 있을 만큼 충분히 큰 동안 거대한 대기를 개발해야 합니다. 그렇지 않으면 항성풍과 제트가 이러한 원자재를 우주로 운반할 것입니다.
72개의 원시 행성 원반 중 66개는 광범위한 분자 수소와 이온화된 네온 방출을 나타냅니다. 연구진은 46개 시스템에서 원뿔형 분자 수소풍을, 40개 시스템에서 고속 네온 제트를 감지했습니다. 네온 제트가 있는 모든 원시행성 원반은 또한 수소나 산소 분자에 의해 추적되는 항성풍의 증거를 보여줍니다.
이 새로운 분석은 팀의 이전 Webb 망원경 관측을 기반으로 합니다. 2024년 Bajaj, Goldi 및 동료들은 젊은 별 T Cha 주변의 행성 형성 원반이 가스를 잃고 있음을 보여주는 이미지를 포착했습니다.
이전 연구에서는 웹 망원경이 단일 행성계 내 원시행성 원반의 소멸 과정을 직접 관찰할 수 있다는 것이 입증되었습니다. 이번 연구는 이 접근 방식을 수십 개의 젊은 별까지 확장하여 항성계가 성숙해짐에 따라 제트, 분자풍, 원자풍의 상대적 중요성이 어떻게 변하는지를 보여줍니다.
다음으로 연구원들은 이러한 항성풍이 서로 다른 시간에 얼마나 많은 가스를 운반하는지, 그리고 원시행성 원반의 어느 지역이 유출되는 가스의 재료 공급원을 제공하는지 확인하기를 희망합니다. 이러한 측정은 행성 형성 창이 얼마나 빨리 닫히는지 밝힐 뿐만 아니라, 과학자들이 원시 행성 원반에서 사용 가능한 가스가 사라지기 전에 다양한 유형의 행성이 형성되었을 수 있는 위치를 정확하게 결정하는 데 도움이 될 것으로 예상됩니다.
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