태양계 초기의 불안정성 – 신비한 ‘Planet 9’에 대한 의미

초기 태양계의 불안정성

우리 태양계가 왜 그런 것인지에 대한 새로운 설명과 다른 사람들도 마찬가지입니다.

Michigan State University의 Seth Jacobson과 중국과 프랑스의 동료들은 우리 태양계가 어떻게 진화했는지에 대한 은하계의 수수께끼를 푸는 데 도움이 될 수 있는 새로운 이론을 발표했습니다. 특히, 가스 거인들은 어떻게 – 목성그리고 토성그리고 천왕성그리고 해왕성 – 그들은 그들이 하는 것처럼 태양 주위를 공전하면서 그들이 있는 곳에서 끝이 났습니까?

이번 발견은 지구와 같은 지구형 행성이 어떻게 발전하는지와 500억 마일 떨어진 곳에 다섯 번째 가스 거대 행성이 숨어 있을 가능성에 대한 의미를 내포하고 있습니다.

자연과학대학 지구환경과학과 조교수인 제이콥슨은 “역사가 흐르면서 행성의 궤도는 급격하게 변했다”며 “그러나 우리는 무슨 일이 일어났는지 알아낼 수 있다”고 말했다.

한 예술가의 그림은 어린 별이 생성된 후 남은 가스와 먼지의 경로를 스캔하는 가상의 초기 태양계를 보여줍니다. 이 청소 작업은 별을 도는 가스 거인의 궤도에 영향을 미칩니다. 출처: NASA/JPL-Caltech/T. Pyle(SSC)

저널에 발표된 연구 성질 2022년 4월 27일, 그는 다른 태양계와 우리 태양계의 가스 거인에게 무슨 일이 일어났는지 설명합니다.

아름다운 모델이다

거대하고 소용돌이치는 우주 가스와 ​​먼지 구름이 별을 생성합니다. 초기 태양계는 우리의 태양이 타올랐을 때 여전히 원시 가스 원반으로 가득 차 있었고 가스 거인을 포함한 행성의 형성과 진화에 중요한 역할을 했습니다.

20세기 후반에 과학자들은 가스 거인들이 처음에 정렬되고 압축되고 균일한 간격으로 태양을 공전한다고 믿기 시작했습니다. 그러나 목성, 토성, 그리고 다른 것들은 비교적 길고 비뚤어지고 흩어져 있는 궤도에 오랫동안 정착해 왔습니다.

세스 제이콥슨, 미시간 주립대학교 조교수

그래서 지금 연구원들이 해야 할 질문은, 그 이유는 무엇입니까?

2005년에 국제 과학자 팀은 세 가지 이정표에서 이 질문에 대한 답을 제안했습니다. 성질 나뭇잎. 이 솔루션은 원래 프랑스 니스에서 개발되었으며 니스 모델로 알려져 있습니다. 아마도 이 행성들 사이에 불안정성이 있고, 궁극적으로 현재 경로에 그들을 설정하는 혼란스러운 중력 상호 작용 세트가 있습니다.

“이것은 초기 태양계에서 사람들이 생각하는 방식의 구조적 변화였습니다.”라고 Jacobson은 말했습니다.

Ness 모델은 여전히 ​​선도적인 해석이지만 지난 17년 동안 과학자들은 Ness 모델의 불안정성의 원인에 대해 묻는 새로운 질문을 발견했습니다.

예를 들어, 가스 거인의 불안정성은 태양계를 탄생시킨 태초의 가스 원반이 분산된 후 수억 년 후에 발생했다고 원래 생각되었습니다. 그러나 아폴로 임무에 의해 회수된 월석에서 발견된 일부를 포함하여 보다 최근의 증거는 이것이 더 빨리 일어났다는 것을 암시합니다. 이것은 또한 지구를 나타내는 내부 태양계가 어떻게 진화했는지에 대한 새로운 질문을 제기합니다.

퍼듀 대학교의 천문학자 숀 레이먼드(Sean Raymond)는

Jacobson은 중국 Zhejiang University의 Beibei Liu 및 프랑스 Bordeaux University의 Shawn Raymond와 협력하여 불안정이 어떻게 시작되었는지에 대한 솔루션을 찾는 데 도움을 주었습니다. 팀은 새로운 방아쇠를 제안했습니다.

Jacobson은 “우리의 새로운 아이디어가 이 지역의 많은 긴장을 완화할 수 있다고 생각합니다. 왜냐하면 우리가 제안한 것은 거대한 행성이 불안정할 때 매우 자연스러운 대답이기 때문입니다.”라고 Jacobson은 말했습니다.

새로운 방아쇠

이 아이디어는 2019년 Raymond와 Jacobsen이 나눈 대화에서 시작되었습니다. 그들은 원시 가스 디스크가 증발한 방식 때문에 가스 거인이 현재 경로에 놓였을 수 있다는 가설을 세웠습니다. 이것은 Ness 모델이 원래 가정했던 것보다 훨씬 더 일찍, 그리고 아마도 행성을 그곳으로 밀어내는 불안정성이 없었을지라도 태양계의 진화에서 행성이 훨씬 더 일찍 증식한 방법을 설명할 수 있습니다.

“우리는 Nice 모델이 태양계를 설명하는 데 정말로 필요한지 궁금했습니다.”라고 Raymond가 말했습니다. “우리는 디스크가 소산됨에 따라 거대한 행성이 ‘반동’ 효과를 통해 전파될 수 있다는 아이디어를 생각해 냈으며, 아마도 전혀 불안정하지 않을 수 있습니다.”

저장대학교 연구교수인 Beibei Liu.

다음으로 Raymond와 Jacobsen은 가스 디스크와 별 근처를 공전하는 다른 태양계의 행성에 대한 광범위한 시뮬레이션을 통해 이 바운스 효과 아이디어를 개척한 Liu에게 연락했습니다.

“우리 태양계의 상황은 목성, 토성, 천왕성, 해왕성이 더 넓은 궤도에 분포되어 있기 때문에 약간 다릅니다.”라고 Liu가 말했습니다. “반복적인 브레인스토밍 세션 후에 우리는 가스 디스크가 내부에서 밖으로 흩어지면 문제가 해결될 수 있다는 것을 깨달았습니다.”

Raymond는 팀이 이러한 내부 소산이 Nice 모델의 불안정성에 대한 자연스러운 인센티브를 제공한다는 것을 발견했다고 말했습니다.

“우리는 결국 Nice 모델을 파괴하기보다는 홍보하게 되었습니다.”라고 그는 말했습니다. “이것은 우리의 선입견을 테스트하고 결과를 어디에서나 따라갈 수 있는 재미있는 삽화였습니다.”

새로운 런처를 사용하면 불안정 초기의 이미지가 동일하게 보입니다. 가스와 먼지 구름으로 둘러싸인 초기 태양이 아직 있습니다. 소수의 젊은 가스 거인들이 그 구름을 통해 깔끔하고 조밀한 궤도로 별을 공전합니다.

모든 태양 에너지 시스템은 가스와 먼지 원반으로 형성됩니다. 이것은 별이 형성되는 방식의 자연스러운 부산물이라고 Jacobson은 말했습니다. “그러나 태양이 떠서 핵연료를 태우기 시작하면 태양은 햇빛을 생성하고 디스크를 가열하고 결국 내부에서 밖으로 날려 버립니다.”

이것은 태양 중심의 가스 구름에 성장하는 구멍을 만들었습니다. 구멍이 커짐에 따라 그 가장자리는 가스 거인의 각 궤도를 휩쓸었습니다. 팀이 수행한 컴퓨터 시뮬레이션에 따르면 이 전환은 매우 높은 확률로 거대 행성의 매우 필요한 불안정성을 초래합니다. 이 큰 행성을 현재 궤도로 이동시키는 과정도 수억 년의 원래 네스 모델 타임라인과 비교할 때 빠르게 움직이고 있습니다.

Liu는 “불안정성은 태양의 기체 디스크가 소멸될 때 일찍 발생하며, 태양계 탄생 후 수백만 년에서 천만년 이내로 제한됩니다.”라고 말했습니다.

새로운 방아쇠는 또한 외부 태양계와 내부 태양계의 재료를 혼합합니다. 지구의 지구화학은 그러한 혼합이 우리 행성이 아직 형성 과정의 한가운데에 있을 때 발생해야 한다고 제안합니다.

Jacobson은 “이 과정은 내부 태양계를 정말로 자극할 것이며 지구는 그로부터 성장할 수 있습니다”라고 말했습니다. “이것은 주석과 매우 일치합니다.” 불안정성과 토지 형성 사이의 관계를 탐구하는 것은 그룹의 향후 작업 주제입니다.

마지막으로, 팀의 새로운 해석은 과학자들이 우리 그룹에서 보는 것과 같은 구성으로 별 주위를 도는 가스 거인을 관찰한 우리 은하의 다른 태양계에도 적용됩니다.

Jacobson은 “우리는 우리 은하에 있는 태양계의 한 예일 뿐입니다. “우리가 보여주고 있는 것은 불안정이 다른 방식으로, 보다 글로벌하고, 보다 일관된 방식으로 발생했다는 것입니다.”

우주에서 온 행성 9

팀의 논문이 이것을 강조하지는 않지만 Jacobson은 이 연구가 우리 태양계에 대한 가장 인기 있고 때로는 열띤 토론 중 하나인 태양계에 몇 개의 행성이 있습니까?에 대한 의미가 있다고 말했습니다.

현재 답은 8이지만 초기 태양계에 4개가 아닌 5개의 가스 거인이 있을 때 Nice 모델이 조금 더 잘 작동하는 것으로 나타났습니다. 불행히도, 모델에 따르면 이 추가 행성은 불안정한 동안 우리 태양계에서 떨어져 나머지 가스 거인이 궤도를 찾는 데 도움이 되었습니다.

플래닛 9에 대한 아티스트의 개념. 출처: ESO / Tom Ruen / nagualdesign

그러나 2015년에 Caltech 연구원들은 태양에서 약 500억 마일, 해왕성에서 약 470억 마일 떨어진 태양계 가장자리 주변에 지금까지 발견되지 않은 행성이 있을 수 있다는 증거를 발견했습니다.

행성 X 또는 행성 9로 별명이 붙은 이 가상의 행성 또는 Nice 모델의 “추가” 행성의 존재에 대한 구체적인 증거는 아직 없습니다. 그러나 만약 그들이 그렇게 한다면, 그것들은 하나이고 동일할 수 있습니까?

Jacobson과 그의 동료들은 시뮬레이션으로 그 질문에 직접 답할 수 없었지만 차선책은 할 수 있습니다. 불안정 방아쇠가 우리 태양계의 현재 그림을 정확하게 재현한다는 것을 알고, 그들은 4개 또는 5개의 거대 가스로 시작하여 그들의 모델이 가장 잘 작동하는지 테스트할 수 있습니다.

Jacobson은 “우리의 경우 4개 또는 5개로 시작하는 경우 결과가 매우 유사했습니다. “5로 시작하면 4로 끝날 가능성이 더 높지만 4로 시작하면 결국 오비탈과 더 잘 일치하게 됩니다.”

어느 쪽이든 인류는 곧 답을 찾아야 합니다. 2023년 말까지 운영될 예정인 베라 루빈 천문대는 행성 9가 존재하는 경우 이를 감지할 수 있어야 합니다.

Jacobson은 “Planet 9는 매우 논란의 여지가 있기 때문에 신문에서 강조하지 않았지만 대중과 이야기하는 것을 좋아합니다.”라고 말했습니다.

그것은 우리 태양계가 여전히 발견되기를 기다리는 신비와 발견으로 가득 찬 역동적인 장소임을 상기시켜줍니다.

참조: Bebe Liu, Sean N. Raymond 및 Seth A. Jacobson의 “기체 디스크 산란으로 인한 초기 태양계 불안정성”, 2022년 4월 27일, Nature.
DOI: 10.1038 / s41586-022-04535-1