목성, 탄생 초기엔 지금 두 배 크기…태양계 설계도 복원

세상을 보는 과학의 눈 - Science Wave

 

 

지금 우리가 아는 태양계는 완성형이 아니다. 약 45억 년 전, 태양과 행성들은 거대한 가스와 먼지의 원반에서 만들어지기 시작했다. 그중에서도 목성은 가장 큰 행성이자, 다른 행성들의 궤도까지 바꿔놓을 정도로 중력이 강한 존재다. 과학자들은 오랫동안 이 거대 행성이 태양계의 구조를 설계하는 데 핵심 역할을 했을 것으로 봐 왔다.

​

그렇다면, 목성은 태초부터 지금 같은 모습이었을까? 최근 미국 캘리포니아공대(Caltech)와 미시간대학교 연구진은 목성이 형성 초기엔 지금보다 두 배 가까이 크고, 자기장도 50배 강력했다는 사실을 밝혀냈다. 태양계 구조가 어떻게 굳어졌는지를 이해하는 데 결정적인 단서다.

​

이번 연구는 국제학술지 Nature Astronomy에 게재됐으며, 목성 주변을 도는 작은 위성들의 궤도를 분석해 초기 목성의 크기와 자기장을 역산한 결과다. 복잡한 시뮬레이션이 아닌, 실제 위성의 움직임을 근거로 한 계산이라는 점이 주목된다.

 

 

 

목성의 양극에서 퍼져 나가는 자기장 선을 나타낸 개념도. [사진=K. Batygin]

 

 

작은 위성 궤도에서 복원한 목성의 옛 모습

연구진은 목성에 가까운 궤도를 도는 아말테아(Amalthea)와 테베(Thebe)라는 두 위성에 주목했다. 이들은 대표 위성인 이오보다도 안쪽을 돌며, 공전 궤도에 작은 기울기를 갖고 있다.

이 기울기를 분석한 결과, 과거 목성은 현재보다 훨씬 부피가 컸고 자전 속도도 빨랐던 것으로 나타났다. 반지름은 지금의 약 두 배, 부피는 지구 2,000개 분량에 달했다. 자기장은 현재보다 50배 강력했으며, 주변 우주 환경에 강한 영향을 미쳤을 것으로 보인다.

목성과 같은 거대 행성은 주변 행성의 궤도를 밀어내거나 끌어당기며 태양계 전체의 형태를 결정짓는 데 중요한 역할을 한다. 따라서 목성이 어떤 조건에서 성장했는지를 파악하는 것은 태양계 ‘설계도’를 복원하는 일과 같다.

특히 이번 연구는 원시행성계 원반이 사라지던 전환기에 목성이 어떤 상태였는지를 구체적으로 보여준다. 이 시기는 행성 형성에 필요한 가스와 먼지가 사라지고, 각 행성의 궤도가 고정되기 시작한 중요한 시점이다.

 

​

위성 궤도 분석으로 초기 목성 물리조건 역산

기존의 행성 형성 이론은 ‘코어 어크리션(core accretion)’ 모델에 기초해왔다. 이는 암석과 얼음으로 이루어진 핵이 먼저 만들어지고, 이후 주변의 가스를 빠르게 흡수해 거대 가스행성으로 성장한다는 이론이다. 하지만 이 모델은 핵의 질량, 가스의 불투명도, 축적 속도 등 불확실한 변수들에 크게 의존하는 한계가 있다.

 

이번 연구는 그러한 간접 추정 대신, 목성의 위성 아말테아와 테베의 궤도 기울기를 정밀 분석해 초기 목성의 크기, 회전 속도, 자기장 세기를 물리적으로 추정했다. 이 위성들은 매우 가까운 거리에서 목성을 공전하고 있으며, 그 궤도에 남아 있는 미세한 경사각은 목성 내부 구조와 중력장 변화의 과거 흔적을 반영한다.

 

 

 

형성 초기의 목성은 현재보다 반지름이 약 두 배, 부피는 지구 2,000개 규모에 달했다.

 

 

연구진은 이 궤도 데이터를 바탕으로 각운동량 보존 법칙과 중력 상호작용 모델을 적용해, 원시행성계 원반이 사라질 무렵 목성의 물리적 상태를 수치적으로 복원했다. 이 방식은 기존 모델의 불확실성을 줄이고, 행성 형성 이론에 보다 정밀한 초기 조건을 제공한다는 점에서 의의가 있다.

​

연구를 이끈 콘스탄틴 바티긴 교수는 "목성과 같은 거대행성의 성장 과정을 파악하는 것은 태양계 형성의 기원을 밝히는 핵심"이라며, 이번 결과가 그 출발선을 정립한 셈이라고 설명했다.

 

 

Y 염색체, 남녀 키 차이 가르는 유전 변수였다···새 발견