목성 너머에 숨어 있던 태양계 최초의 '행성 공장'을 찾았다 🪐

목성 궤도 바로 바깥쪽에 고리 모양의 높은 기체 압력 영역이 형성되었습니다. 이 '먼지 덫'에서는 수백만 년이 넘는 세월 동안 다양한 구성의 소행성이 형성될 수 있었습니다. 출처: MPS / hormesdesign.de

태양계가 처음 만들어질 때 이야기를 한번 해볼게요. 갓 태어난 어린 태양 주위에는 가스와 먼지로 된 거대한 원반이 둘러싸고 있었습니다. 그 안에서 자잘한 알갱이들이 수백만 년에 걸쳐 부딪히고 뭉치면서 '미행성체(planetesimal)'라는 작은 암석 덩어리로 자랐죠. 이 중 일부는 행성이 됐고, 나머지는 오늘날 소행성들의 조상이 됐습니다.

그런데 이 과정이 깔끔하고 질서정연했을 것 같진 않죠? 과학자들도 오래전부터 "꽤 지저분하고 들쭉날쭉했을 것"이라고 의심해왔습니다. 그리고 이번에 독일 막스플랑크 태양계연구소(MPS) 연구진이 그 핵심 현장, 일종의 **'행성 공장'**을 목성 궤도 바로 너머에서 찾아냈다고 합니다.

목성이 만든 거대한 '먼지 덫'

이야기의 무대는 태양계 탄생 후 약 200만~400만 년이 지난 시점입니다. 그때쯤 목성은 이미 자기 궤도 근처의 물질을 대부분 쓸어 담아서, 주변 원반에 휑한 틈을 만들어 놓은 상태였어요.

여기서 흥미로운 일이 벌어집니다. 이 과정에서 목성 궤도 바로 바깥쪽에 가스 압력이 높아진 고리 모양의 영역이 생겨났거든요. 원반을 떠돌던 먼지 입자들이 이 고리에 갇히면서 엄청난 양의 물질이 쌓였고, 이 빽빽한 먼지 더미는 '페블(pebble)'이라 불리는 작은 알갱이 덩어리를 이뤘습니다. 말 그대로 입자들이 빠져나가지 못하고 모여드는 **'먼지 덫(dust trap)'**이 된 거죠.

페블이 이런 먼지 덫 안에서 빠르게 미행성체로 자란다는 건 이전 연구에서도 밝혀진 사실이었어요. 하지만 같은 장소가 오랜 기간에 걸쳐, 그것도 서로 전혀 다른 성분의 천체들을 계속 찍어낼 수 있는지는 아무도 몰랐습니다. 이번 연구가 바로 그 부분을 파고든 거예요.

한 공장에서 '세대'가 다른 제품이 나왔다

연구진이 정교한 시뮬레이션을 돌려보니, 이 먼지 덫 안에서 수백만 년에 걸쳐 여러 세대의 서로 다른 미행성체 집단이 만들어진 것으로 나타났습니다. 행성 형성 연구를 이끄는 요안나 드롱코프스카 박사의 설명이 핵심을 콕 짚어요. "서로 다른 종류의 미행성체가 초기 원반의 같은 영역에서, 다만 다른 시기에 형성된 것으로 보인다. 목성 궤도 바로 바깥은 이에 딱 맞는 조건을 갖추고 있었다."

같은 공장인데 시기에 따라 다른 '버전'의 제품이 나온 셈이죠. 그리고 더 놀라운 건, 이 시뮬레이션 결과가 지구에서 발견된 특정 운석 그룹의 특징과 아주 잘 맞아떨어졌다는 점입니다.

운석이 정답지 역할을 했다

여기서 운석 이야기를 짚고 갈게요. 운석은 대기권을 뚫고 살아남은 우주 암석 조각인데, 대부분 태양계 초창기 모습을 거의 그대로 간직한 고대 미행성체의 파편으로 여겨집니다. 일종의 45억 년 전 타임캡슐인 셈이죠.

연구진이 주목한 건 탄소가 풍부한 '탄소질 콘드라이트(carbonaceous chondrite)'라는 운석입니다. 이건 나이와 성분에 따라 여섯 그룹으로 나뉘는데요. 어떤 건 잘 부서지는 고운 입자 위주이고(알렌데 운석처럼 알갱이가 또렷한 것도 있고), 어떤 건(이부나 운석처럼) 거의 전부가 부스러지는 미세 물질로만 돼 있을 만큼 제각각입니다.

MPS 소장이자 우주화학자인 토르스텐 클라이네 박사의 말이 의미심장합니다. "처음으로 운석 실험실 연구 결과를 초기 태양계 컴퓨터 시뮬레이션으로 정확히 재현하는 데 성공했다. 운석은 말하자면 행성 형성 이론의 시금석(touchstone) 역할을 한다." 이론으로 돌린 시뮬레이션이 실제 손에 쥔 운석의 성분과 맞아떨어졌으니, 이론의 답을 운석으로 채점한 셈입니다.

시뮬레이션이 그려낸 '여러 세대의 우주 암석'

연구진의 모델은 입자 하나하나의 충돌부터, 거대한 가스 원반을 가로지르는 물질의 대규모 이동까지 함께 추적했습니다. 입자들은 서로 들러붙기도, 산산이 부서지기도, 태양 쪽으로 끌려가기도, 빽빽한 영역에 모여들기도 했죠.

여기서 재미있는 점. 목성은 작은 먼지 알갱이보다 크고 단단한 입자에게 더 강력한 장벽으로 작용했습니다. 입자 크기에 따라 통과 난이도가 달랐던 거예요. 동시에 새 미행성체가 계속 만들어지면서 재료가 조금씩 소모됐고요. 이런 효과들이 겹치면서 목성 너머에는 시기마다 다른 조성의 물질이 모였고, 균형이 바뀔 때마다 뚜렷이 구분되는 세대의 미행성체가 등장했습니다.

구체적으로 보면, 처음 50만 년 동안 잘 부서지는 물질이 한 번 줄었다가 이후 100만 년에 걸쳐 다시 늘었고, 결국 두 개의 뚜렷한 미행성체 집단이 나타났다고 해요. 한쪽은 약한 물질 위주, 다른 한쪽은 더 안정적인 물질 위주로요.

정리하며

연구진은 탄소질 콘드라이트보다 더 오래된 운석 종류들도 같은 먼지 덫에서 태어났을 가능성이 크다고 봅니다. 드롱코프스카 박사의 마지막 말이 인상적이에요. "먼지 덫이 우리 태양계 미행성체의 선호된 탄생지였다는 강력한 증거가 있다."

45억 년 전, 목성이라는 거대 행성이 만들어 놓은 보이지 않는 압력의 고리. 그 안에서 행성과 소행성의 씨앗들이 세대를 거듭하며 빚어졌다는 이야기는, 우리가 발 딛고 선 이 세계의 가장 오래된 출생 신고서를 읽는 기분이 들게 합니다. 해당 연구는 천체물리학 저널(The Astrophysical Journal)에 게재됐습니다.

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