갓 태어난 원시행성계 원반이라도 회전축은 부질없는?

 

 

항성이나 그 주위를 공전하는 행성계는, 가스나 먼지로 이루어진 "분자운"이 스스로의 중력으로 수축해 태어난다.갓 태어난 "원시성"의 주위에는 많은 가스가 존재해, 원시성을 향해 낙하해 간다.이러한 가스는, 별을 향해서 떨어지기 시작했을 때의 회전의 방향을 유지한 채로 자꾸자꾸 떨어져 나가, 이윽고 원심력과 중력이 맞아떨어져 "원시 행성계 원반"을 형성한다. 그 때문에, 원시성을 향해서 내려 온 가스의 각운동량(회전의 방향과 세력을 나타내는 양)이, 후의 원시 행성계 원반의 방향이나 크기의 기원이라고 생각되고 있어, 원반이 어떻게 형성되었는지를 이해하는 것은 행성 형성을 이해하는데 있어서 매우 중요하다.

이화학 연구소의 사카이 미나미씨와 Yichen Zhang씨,치바대학 선진 과학 센터의 하나와 토모유키씨등의 공동 연구 그룹은, 황자자자리의 방향, 지구로부터 450 광년 떨어진 장소에 있는 원시성 "IRAS04368+2557"를 둘러싼 젊은 원시 행성계 원반(초 원반)으로부터의 전파를 아르마 망원경으로 관측해, 원반에 어떠한 구조가 존재하는지, 또 원반에 포함되어 있다.

관측의 결과, 이 원반은 바깥쪽만큼 두께가 큰 "프레어 구조"를 가지는 것이 밝혀졌다.게다가 원반의 두께와 반경 비율이나 원반의 회전축의 기울기가, 중심의 원시성으로부터 반경 60억 90억(40~60 천문 단위)을 경계로 해 갑자기 변화하는 "이중 플레어 구조"가 되고 있는 것을 알았다.내와 밖에서 회전축이 어긋나고 있는 원인은, 일찌기 밖에서 항복해 온 가스의 회전축이 시대와 함께 변화하고 있었기 때문이라고 생각할 수 있다.

원반 두께-반경관계 전파강도분포
(a) 파장0.9mm와 1.3mm의 전파관측으로부터 밝혀진, 원반의 두께와 중심 원시성으로부터의 거리 (반경 40~60천문단위로 갑자기 두께가 커지고 있는 (b)원반이 방사하는 전파의 강도분포. 파장0.9mm(위)와 1.3mm(아래) 양쪽에서, 원반의 중앙면(흑점선)이 반경40~60천문단위 밖에서 연직납직직접

이처럼 바깥이 어긋나는 원반의 구조는 '워프(wap) 구조'로 불리며 반성을 가진 원시행성계 원반이나 진화가 진행된 원반에서는 발견되었지만 이번처럼 반성을 갖지 않았고, 형성 초기 원반에서 발견된 것은 처음이다.

와프 구조를 가진 원시 행성계 원반
안쪽과 바깥쪽에서 회전축의 기울기가 어긋나고 있는 와프구조를 가진 원시행성계 원반의 상상도(제공:이화학 연구소, 이하 동)

이러한 와프구조는 행성의 공전궤도 경계가 갖추어지지 않은 혹성계 등, 최근 잇따라 발견되고 있는 "변풍"인 계외 행성계의 기원으로서 주목받고 있다. 종래에는 이와 같은 괴이한 행성계는, 떨어진 다른 행성의 영향으로 궤도의 기울기와 이심률이 변동하는 "고재 기구"나, 가까이를 통과한 행성의 중력으로 궤도가 변화하는 "행성중력산란" 등, 중심성과 다른 행성이라고 하는 3개의 천성이라고 하는그러나 여러 행성의 궤도면이 다른 행성의 궤도면에서 똑같이 어긋나는 별이나, 주성과 행성 궤도의 회전축의 기울기가 어긋나는 별 등도 발견되어 3천체의 상호작용만으로는 설명하기 어려운 것이 문제가 되고 있었다.

원시성으로 내려가는 가스의 양은 원시성 주위의 가스 분포에 밀도의 흔들림이 있기 때문에, 반드시 똑같지는 않다.이러한 상황에서는, 원시성이나 원반에 항복하는 가스의 양이나 회전의 방향은 시대에 따라서 차이가 있을 가능성이 높고, 와프 구조가 생기는 것은 오히려 자연이라고 말할 수 있다.그래서 연구팀은 이번에 밝혀진 현상이 어느 천체에서도 일어날 수 있는 일반적인 것일 수 있다고 생각한다.

와프 구조의 개념도
와프구조를 가진 원시행성계 원반의 개념도. 내원반과 외원반에서 회전축의 기울기가 있기 때문에, 이러한 구조가 된다. 외원반의 더욱이 바깥쪽은, 엔베로프라고 불리는 항복 가스로 연결되어 있다.원시성에 가까워짐에 따라 밀도나 온도가 높아지기 때문에, 전파 강도도 높아져, 실제의 관측 데이터에서는 중심 부근이 가장 밝게 보인다.

또 이번 관측에서 파장 1.3mm와 0.9mm의 전파 강도의 비율이 원반 내 반경에 따라 어떻게 변하는지 조사했더니 반경 90억km보다 안쪽으로 갈수록 파장 0.9mm의 전파 강도가 상대적으로 약한 것으로 나타났다.짧은 파장의 전파가 상대적으로 약하다는 것은 그 자리에 있는 성간진출 입자 사이즈가 크다는 것을 보여준다.이번 같은 젊은 원반에서 티끌의 크기가 장소별로 변화하는 모습을 포착한 것도 처음이다.이 결과는 초기 원반 단계에서 이미 별들이 자라나고 있음을 시사한 것이다.이러한 진리의 성장이 머지않아 원반 내에 구조가 생겨 행성의 형성으로 연결되는 계기가 된다고 생각되기 때문에, 이 관측 결과는 행성 형성에 관한 이해를 크게 바꿀지도 모른다.