모항성에 비해 너무 큰 외계행성의 발견 : 자연주의적 행성 형성 이론이 도전받고 있다. : 천문학-우주 [한국창조과학회 자료실]

모항성에 비해 너무 큰 외계행성의 발견 : 자연주의적 행성 형성 이론이 도전받고 있다.

미디어위원회

천문학-우주

2023-12-27

모항성에 비해 너무 큰 외계행성의 발견

: 자연주의적 행성 형성 이론이 도전받고 있다.

(Fat Star Child Too Big for Mom)

David F. Coppedge

산모가 45kg의 아기를 낳을 수 있을까? 새로운 한 외계행성이 그러한 경우이다.

천문학자들은 또 다시 당황하고 있었다. 한 새로운 외계행성(exoplanet)은 모항성에 비해 너무도 크기 때문에, 행성(planet) 형성에 관한 지배적 이론들을 쓰레기통에 던져버리고 있었다. 행성들은 어린 항성을 둘러싸고 있는 먼지 원반(dust disks)이 뭉쳐져서 형성되는 것으로 생각됐었지만, 해왕성 만큼의 거대한 행성은 난쟁이별(dwarf stars. 왜성) 주위에서는 형성될 수 없을 것으로 생각했었다. 그러나 외계행성 LHS 3154b는 그 법칙을 어기고 있었다.

이 '금지된' 외계행성은 모항성에 비해 너무 크다(Space.com, 2023. 11. 30). 로버트 레아(Robert Lea)는 이 항성과 행성 사이의 비율은 태양과 지구 사이의 비율의 100배라고 말한다. 그것은 불법이다. 존재해서는 안 된다!

"이 발견은 우리가 우주에 대해 얼마나 모르고 있는 지를 알려주고 있다. 우리는 그렇게 질량이 낮은 별 주위에 이렇게 무거운 행성이 존재하리라고는 예상하지 못했다.“

가능할 것이라고 예상했던 것보다 훨씬 큰 질량의 외계행성은 두 이론, 즉 행성 형성(planet formation) 이론과 항성 형성(star formation) 이론에 도전하고 있다.

따라서 이 특별한 외계행성의 발견은 항성 형성 이론에 의문을 제기한다. LHS 3154b만큼 거대한 해왕성 같은 천체가 탄생하려면, LHS 3154b의 원시행성계 원반의 먼지 대 질량, 먼지 대 가스 함량의 비율이 예측보다 10배나 높아야 했기 때문이다.

."천문학자들은 매우 차가운 한 난쟁이별의 궤도를 돌고 있는 거대한 외계행성을 발견했다. 이 별은 너무 작아서 그러한 행성을 가질 수 없다. 이것은 행성들과 행성계가 어떻게 탄생하는지에 대한 과학자들의 모델에 도전하고 있다." – Space.com. <Image credit: Penn State>

존재해서는 안 되는 거대한 행성을 품고 있는 작은 별이 발견되었다(New Scientist, 2023. 11. 30). 천문학자들은 눈에 보이지 않는 것들(암흑물질, 암흑에너지...등)을 계속 상상하고 있으면서, 상상할 수 없는 것들을 발견하고 있다. 과학부 기자인 레아 크레인(Leah Crane)은 최신의 수수께끼 같은 발견을 보도하면서, "우리"라는 대명사로 모든 사람이 그렇게 생각했었다는 오류를 범하고 있었다.

아주 작은 별 주위를 돌고 있는 거대한 행성은 행성 형성에 대한 우리의 생각을 깨뜨릴지도 모른다. 천문학자들은 태양보다 9배 덜 무거운 별 주위를 공전하고 있는, 지구 보다 13배 더 무거운 행성을 발견했다. 행성들의 형성에 대한 우리의 예측에 의하면, 그러한 천체가 존재해서는 안 된다...

일반적으로 우리는 행성이 두 가지 방법 중 하나로 형성된다고 생각해왔다 : 어린 별을 둘러싸고 있는 먼지와 가스로 이루어진 원시 행성계 원반이 중력에 의해 빠르게 붕괴되어 물질 덩어리를 형성하거나, 원반에 있는 큰 암석이 오랜 시간에 걸쳐 많은 작은 천체들을 천천히 강착시켰다는 것이다. 연구자들은 관측된 것과 비슷한 원반을 가진 작은 별들에 대해 수백 번의 시뮬레이션을 수행했는데, 그 중 어느 것도 LHS 3154b와 같은 행성을 형성하지 않았다.

태양에 비해 너무 큰 행성의 발견은 태양계 형성 모델들을 기각시킨다(Penn State, 2023. 11. 30). 이 보도 자료는 연구자들로부터 온 것이다. 대학원생 메간 들라머(Megan Delamer)와 지도교수 수브라스 마하데반(Suvrath Mahadevan)은 첨부된 비디오에서 수수께끼를 설명하고 있다. 그들은 또한 행성의 크기를 측정하는 데 사용되는 도구와 기술을 설명하고 있다.

질량이 매우 낮은 항성 주위의 근접 궤도에 있는 해왕성 질량의 외계행성은 행성 형성 모델에 도전한다(Science, 2023. 11. 30). 이 연구 논문에서 거의 30명의 천문학자들은 행성 형성 이론의 종말에 대해 절망하며, 비명을 지르고 있었다.

행성 형성 이론들에 의하면, 낮은 질량의 항성은 해왕성보다 큰 질량의 외계행성을 보유하지 않아야 한다고 예측한다. 우리는 시선속도(radial velocity) 관측을 사용하여, 태양보다 9배 질량이 적은, 항성 LHS 3154를 공전하고 있는 해왕성 질량의 외계행성을 발견했다. 이 외계행성의 공전주기는 3.7일이고, 최소 질량은 지구 질량의 13.2배이다. 우리는 시뮬레이션을 사용하여, 행성 대 항성의 높은 질량 비율( >3.5×10^-4)은 행성 형성의 핵 강착, 또는 중력적 불안정성 이론의 예상된 결과가 아님을 보여주었다. 핵심 가속 시뮬레이션에서, 해왕성 질량에 가까운 거대한 행성은 원시 행성계 원반의 먼지 질량이 일반적으로 매우 낮은 질량 항성 주변에서 관측되는 것보다 자릿수 크기로 큰 경우에만 형성된다는 것을 보여준다.

이러한 측정치들이 지속된다면, 다시 원점으로 돌아가게 된다. 원반불안정 이론(disk instability theory)은 핵 강착 이론(core accretion theory)을 구조하기 위해 만들어졌다. 지금까지 "거대 행성들은 질량이 매우 낮은 왜성들 주위의 가까운 궤도에서는 관측되지 않았기 때문에" 이제 이 두 이론은 구조될 필요가 있다. 하지만 그러한 거대 행성은 존재한다. "LHS 3154b는 핵 강착 모델로 설명하기 어렵다." 하지만 원반불안정 모델은 더 나쁘다 :

중력 불안정성 메커니즘을 배제할 수는 없지만, 만약 LHS 3154b가 중력 불안정성을 통해 형성된 후 내부로 이동했다면, 핵-강착 시나리오에 대해 위에서 고려한 것보다 훨씬 더 큰 원시행성 원반 질량을 필요로 할 것이다.

사실, 둘 다 이전에도 문제가 있었다. 입자들이 서로 달라붙지 않기 때문에, 핵 강착(core accretion)은 작동되지 않는다. 그것들은 튕겨져 나간다.(2017. 9. 14. 참조). 원반 불안정성은 작동되지 않는다. 왜냐하면 그것은 비물리적이기 때문이다. 천문학자들은 거대한 가스자이언트들이 항성 안으로 소용돌이치는 것을 막기 위한 구조 장치(rescue device)로서 그것을 발명했었다.(2018. 6. 28, 2021. 7. 23. 참조).

이와 같은 관측은 하기가 쉽지 않다. 왜냐하면 이 외계행성의 차원은 한 가지 방법으로 측정됐기 때문에, 주의해야 한다. 그러나 29명으로 구성된 저자들은 이 측정값에 대해 의문을 제기하지 않았고, 과학부 기자들도 의문을 제기하지 않았다.

행성 과학 뉴스에서 다루지 않은 추가 질문

소행성 파에톤(Phaethon)의 미스터리한 꼬리가 마침내 설명될 수 있을지도 모른다(Space.com, 2023. 11. 29). 천문학자들은 이 혜성을 닮은 소행성이 태양을 떠나 목성의 거리에 도달한 후 왜 꼬리를 잘라내는지를 설명하는 데 성공했다고 주장한다. 답은 광물과 광물의 기화 온도(vaporization temperatures)와 관련이 있다는 것이다. 그것은 괜찮은 답일 수 있지만, 질문이 생겨난다. 왜 이 작은 천체는 수십억 년 후에도 아직도 휘발성 물질이 남아있는 것일까?

우리 태양계의 행성들은 결국 기괴하지 않다. 외계행성들도 궤도가 기울어져 있었다.(Space.com, 2023. 11. 29). 정말 다행이다. 모든 행성들이 기괴해서! 하지만 모든 것들이 기괴하다면, 기괴한 것은 새로운 정상이다. 중력적 상호작용이 행성들의 궤도를 기울게 했다고 생각하고 있었다.

예일대가 주도한 새로운 연구는, 그러한 혼돈의 영향을 받지 않은, 우리로부터 멀리 떨어진 "원시" 항성들조차도, 궤도가 기울어진 행성들을 가질 수 있다는 것을 보여준다. 사실, 그러한 조건에 있는 행성들은 여전히 수평으로부터 20도만큼 기울어져 있을 수 있다.

주저자이자 예일대 천문학자인 말레나 라이스(Malena Rice)는 이 연구에 대한 보도자료에서(2023. 11. 28) "그것은 위안을 주고 있다"고 말했다. "그것은 우리의 태양계가 매우 기괴한 것이 아니라는 것을 말해준다. 이것은 마치 재미있는 집의 거울처럼, 우리 자신을 바라보고, 우리가 우주의 더 큰 그림에 어떻게 적합한 지를 보는 것과 같다.“

하지만 풀리지 않은 의문은 왜 새로운 정상상태가 기괴한 것인가 하는 것이다. 중력 상호작용이 행성의 기울기를 유발했다는 오래된 이론은 어떻게 되는 것인가? 예일대 천문학자 말레나 라이스(Malena Rice)는 어리둥절해하고 있었다.

"뜨거운 목성들을 가진 항성계들이 왜 그렇게 극도로 기울어진 궤도를 갖고 있는지를 알아내려고 노력하고 있다"며 라이스는 말했다. "그들은 언제부터 기울어졌을까? 그들은 그러한 방식으로 태어날 수 있었을까?"

기울어진 행성(tilted planets)과 기울어지지 않은 행성(non-tilted planets)들을 비교하는 것은 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있다. 하지만 행성 형성 이론들은 다른 행성들과 가까운 만남으로 의해 옆으로 넘어지지 않는 한, 기울기는 모항성 주위의 먼지 원반의 기울기와 일치할 것이라고 예측됐었다. 만일 어떤 사람이 '만물 우연발생의 법칙(Stuff Happens Law)'을 받아들인다면, 지구의 기울기는 복잡한 생물들이 거주하기 적합하도록, 어떤 기괴한 우주적 행운에 의해 일어났다고 생각할 수 있을 것이다.