슈퍼지구와 미니해왕성, 행성 형성의 새로운 모델 제시

​과학자들은 오랫동안 슈퍼지구와 미니해왕성이 어떻게 형성되는지에 대해 연구해 왔다. 전통적인 이론은 이러한 행성들이 젊은 별 주위의 넓은 영역에서 형성된다고 믿었지만, 최근 이들이 특정 위치의 좁은 고리에서 형성된다는 연구결과가 나와 주목을 끌고 있다. 이는 행성 형성 과정이 무작위적이지 않고, 특정한 조건과 위치에서 더 조직적으로 이루어질 수 있음을 나타낸다. 행성들이 원시 성운 내의 넓은 영역에서 무작위로 만들어진다고 전해졌던 전통 이론과 반대되는 결과다.

슈퍼지구와 미니해왕성의 기원에 대한 새로운 시각

​최근 라이스 대학교의 연구원인 쇼 시바타와 안드레 이지도로는 슈퍼지구와 미니해왕성의 형성에 대한 새로운 모델을 제시했다. 이러한 행성들은 지구 크기의 1~4배에 달하며, 우리 은하에서 가장 흔한 유형 중 하나이다. 연구팀은 고급 시뮬레이션을 통해 이러한 행성들이 원시 행성계 원반의 특정 위치에 형성된 좁은 고리에서 기원한다고 제안했다.

전통적인 모델은 원시 행성의 구성 요소인 미행성체가 젊은 별의 원반의 넓은 영역에서 형성된다고 제안했다. 그러나 시바타와 이지도로는 이러한 물질이 원반의 특정 위치에 있는 좁은 고리에서 결합될 가능성이 높다고 주장하며, 이는 행성 형성이 이전에 생각했던 것보다 더 조직적일 수 있음을 시사한다.​

시뮬레이션을 통한 행성 형성 과정 분석

연구팀은 고급 N-체 시뮬레이션을 사용하여 항성으로부터 1.5 천문단위(AU) 이내의 내부 원반과 5 AU 너머의 물의 눈금선 근처의 두 가지 영역에서 행성 형성을 연구했다. 시뮬레이션은 수백만 년에 걸쳐 미행성체의 충돌, 성장 및 이동을 추적했다. 그 결과, 슈퍼지구는 주로 내부 원반에서 미행성체의 축적을 통해 형성되며, 미니해왕성은 눈금선 너머에서 자갈 축적을 통해 형성된다는 것을 발견했다.​

이 모델은 ‘반지름 계곡’으로 알려진 현상을 성공적으로 재현했다. 이는 지구 크기의 약 1.8배 크기의 행성이 현저하게 부족하고, 대신 약 1.4배와 2.4배 크기의 두 가지 크기 그룹으로 행성이 모여 있는 현상이다. 이 모델은 1.8배 지구 반경보다 작은 행성은 주로 암석으로 이루어진 슈퍼지구이며, 더 큰 행성은 물이 풍부한 미니해왕성이라는 것을 예측하여 실제 관측과 밀접하게 일치한다. 또한, 이 연구는 다중 행성 시스템에서 관찰되는 크기 균일성에 대한 통찰력을 제공한다. 많은 외계 행성계는 동일한 시스템 내에서 행성들이 놀랍도록 유사한 크기를 갖는 ‘콩깍지 속 완두콩’ 패턴을 보여준다. 이 고리 모델은 각 고리 내에서 행성이 형성되고 성장하는 방식을 제어하여 이러한 균일성을 자연스럽게 생성한다.​

시바타와 이지도로의 시뮬레이션은 또한 관측된 행성 궤도의 분포와 일치하여, 행성이 원반 전체에 무작위로 흩어져 있는 것이 아니라 특정 위치에서 발생한다는 아이디어를 강화한다. 이 모델은 또한 행성 형성에 대한 예측 분석을 가능하게 하며, 다른 지구와 유사한 행성의 가능성을 암시한다. 이지도로는 비록 드물지만, 거주 가능 구역에서 암석 행성이 후기 단계의 거대 충돌을 통해 형성될 수 있다고 언급했다. 이는 지구와 달의 형성과 유사한 과정이다.​

더 많은 정보: Sho Shibata et al, Formation of Super-Earths and Mini-Neptunes from Rings of Planetesimals, The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/ada3d1

자료 출처: Astrophysical Journal Letters