행성 형성 원반은 놀라울 정도로 유사한 방식으로 진화합니다.

막스 플랑크 천문학 연구소의 Sierk van Terwisga가 이끄는 천문학자 그룹은 Orion A 구름에서 870개 이상의 행성 형성 원반의 질량 분포를 분석했습니다. 이 전례 없는 대규모 디스크 샘플의 통계적 특성을 활용하고 혁신적인 데이터 처리 방식을 개발함으로써, 그들은 뜨거운 별과 같은 가혹한 환경에서 멀리 떨어져 있는 디스크 질량의 감소는 나이에만 의존한다는 것을 발견했습니다. 결과는 적어도 지구로부터 1000광년 이내에서 행성을 형성하는 원반과 행성계가 유사한 방식으로 진화한다는 것을 나타냅니다.

 

오늘날 천문학 연구에서 가장 흥미로운 질문 중 일부는 "다른 행성계는 어떻게 생겼습니까?"입니다. "태양계는 다른 행성계와 얼마나 비교할 수 있습니까?" 천문학자 팀은 이제 이 퍼즐을 푸는 데 중요한 단서를 제공했습니다.

독일 하이델베르크에 있는 막스 플랑크 천문학 연구소의 과학자인 Sierk van Terwisga는 "지금까지 우리는 젊은 별 주변의 행성 형성 원반의 진화를 지배하는 속성이 무엇인지 확실히 알지 못했습니다."라고 말했습니다. 그는 오늘 Astronomy & Astrophysics 에 발표된 기초 연구 논문의 주저자입니다 . "우리의 새로운 결과는 이제 관련 외부 영향이 없는 환경에서 새로운 행성 을 형성하는 데 사용할 수 있는 관찰된 원반 질량 은 항성-원반 시스템의 나이에만 의존한다는 것을 나타냅니다."라고 van Terwisga가 덧붙입니다.

 

디스크 질량은 행성 형성 디스크의 진화를 연구할 때 핵심 속성입니다. 이 양은 행성으로 변형되는 데 사용할 수 있는 물질의 양을 결정합니다. 디스크 나이에 따라 이미 존재하는 행성에 대한 단서를 제공할 수도 있습니다. 근처의 무거운 별 에서 오는 복사와 바람과 같은 외부 효과는 분명히 디스크 생존에 영향을 미칩니다. 그러나 이러한 환경은 드물고 이러한 프로세스는 디스크 자체에 대해 많이 나타내지 않습니다. 대신, 천문학자들은 나이, 화학적 조성 또는 원반을 가진 어린 별들이 출현한 부모 구름 역학과 같은 내부 원반 속성에 더 관심이 있습니다.

 

다양한 기여를 풀기 위해 천문학자 팀은 원반이 있는 크고 잘 알려진 젊은 별 영역인 오리온 A 구름을 선택했습니다. 지구에서 약 1350광년 떨어져 있다. "오리온 A는 우리에게 어린 별 주위에 있는 870개 이상의 디스크에 대한 전례 없는 대규모 샘플 크기를 제공했습니다.. 공동 저자이자 오스트리아 비엔나 대학의 과학자인 알바로 하카르(Alvaro Hacar)는 "연령과 클라우드 내부의 로컬 환경에 따라 디스크 질량의 작은 변화를 찾을 수 있는 것이 중요했습니다."라고 설명했습니다.

 

Herschel Space Telescope의 초기 관측에서 유래하여 디스크를 식별할 수 있게 되었습니다. 여러 파장을 결합하여 연대를 추정하는 기준을 제공했습니다. 모두 같은 구름에 속하기 때문에 천문학자들은 화학 및 구름 역사 변화의 영향을 거의 예상하지 못했습니다. 13광년보다 가까운 원반을 거부함으로써 근처의 오리온 성운 성단(ONC)에 있는 무거운 별의 영향을 피했습니다.

 

디스크 질량을 측정하기 위해 팀은 칠레 아타카마 사막의 챠이난토르 고원에 위치한 ALMA(Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array)를 사용했습니다. 

 

ALMA는 66개의 포물선 안테나로 구성되어 있으며 조정 가능한 각도 분해능을 가진 단일 망원경으로 기능합니다. 과학자들은 약 1.2밀리미터의 파장에서 각 디스크를 효율적으로 표적화할 수 있는 관찰 모드를 적용했습니다. 콜드 디스크는 이 스펙트럼 범위에서 밝습니다. 반면 중심별의 기여는 미미하다. 이 접근 방식으로 천문학자들은 원반의 먼지 질량을 결정했습니다. 그러나 관찰은 암석과 행성과 같이 수 밀리미터보다 훨씬 더 큰 물체에는 둔감합니다. 따라서 연구팀은 행성을 형성할 수 있는 디스크 물질의 질량을 효과적으로 측정했다.

 

디스크 질량을 계산하기 전에 천문학자들은 수십 대의 ALMA 망원경의 데이터를 결합하고 보정했습니다. 이 작업은 대규모 데이터 세트를 처리할 때 상당히 어려운 작업이 됩니다. 표준 방법을 사용했다면 수집된 데이터를 처리하는 데 몇 달이 걸렸을 것입니다. 대신 팀은 병렬 컴퓨터를 사용하여 새로운 방법을 개발했습니다. 공동 저자인 IT 서비스 제공업체 SURF의 Raymond Oonk는 "우리의 새로운 접근 방식은 처리 속도를 900배 향상시켰습니다. 작업을 완료하고 후속 분석을 위해 데이터를 준비하는 데 필요한 3000 CPU 시간이 하루도 채 걸리지 않았습니다.

 

전체적으로 오리온 A는 행성을 형성하는 원반을 포함하고 있으며, 각 원반에는 수백 개의 지구 질량에 달하는 먼지가 있습니다. 그러나 870개의 디스크 중 100개 이상의 지구에 해당하는 먼지를 20개만 보유하고 있습니다. 일반적으로 원반의 수는 질량에 따라 급격히 감소하며 대부분은 지구 질량의 2.2 미만의 먼지를 포함합니다. "변이를 찾기 위해 Orion A 구름을 해부하고 이 영역을 개별적으로 분석했습니다. 수백 개의 디스크 덕분에 하위 샘플은 여전히 ​​통계적으로 의미 있는 결과를 산출하기에 충분히 컸습니다."라고 van Terwisga는 설명합니다.

 

실제로 과학자들은 Orion A 내에서 수십 광년 규모의 원반 질량 분포에서 약간의 변화를 발견했습니다. 그러나 이들 모두는 나이 효과로 설명될 수 있습니다. 즉, 수백만 년 이내에 원반 질량은 노인 인구. 오차 범위 내에서 같은 나이의 행성 형성 원반 무리는 같은 질량 분포 를 보입니다 . 행성을 형성하는 원반의 먼지 질량이 시간이 지남에 따라 감소하는 것을 발견하는 것은 전혀 놀라운 일이 아닙니다. 결국 먼지는 행성의 원료 중 하나입니다. 따라서 행성 형성은 확실히 자유 먼지의 양을 감소시킵니다. 다른 잘 알려진 과정은 원반 중심으로의 먼지 이동과 호스트 별의 복사에 의한 먼지 증발입니다. 그럼에도 불구하고 디스크 질량과 나이 사이에 그렇게 강한 상관관계가 있다는 것은 놀라운 일입니다.

 

이러한 모든 디스크는 현재 Orion A 클라우드를 구성하는 동일한 환경에서 나왔습니다. 이것은 다른 젊은 별 디스크 인구와 어떻게 비교됩니까? 천문학자들은 그들의 결과를 행성 형성 원반이 있는 인근의 여러 별 형성 지역과 비교함으로써 이 문제를 해결했습니다. 두 개를 제외하고는 모두 오리온자리 A에서 발견되는 질량-연령 관계에 잘 맞습니다. "전체적으로 우리의 연구는 적어도 다음 1000광년 이내에 행성을 형성하는 원반의 모든 개체군이 동일한 결과를 보인다는 것을 증명한다고 생각합니다. 그리고 그들은 거의 같은 방식으로 진화하는 것처럼 보입니다."라고 van Terwisga는 결론지었습니다. 그 결과는 놀랍도록 유사한 행성계 의 형성을 암시하기도 합니다 .

 

다음 단계로 과학자들은 가까운 별이 몇 광년의 작은 규모로 미치는 영향을 조사할 것입니다. 그들이 ONC의 무거운 별들로 인한 강한 복사장을 피하는 동안, 이웃 디스크의 먼지에 영향을 미치고 디스크 질량 통계를 변경할 수 있는 잠재적으로 더 희미한 필드 별이 있습니다. 이러한 기여는 디스크 질량 대 연령 관계에서 발견되는 일부 편차를 설명할 수 있습니다. 그 결과는 나이가 지배하는 행성 형성 원반 진화의 전반적인 그림을 강화하는 데 도움이 될 수 있습니다.