연구, 타투인 유사 행성이 희귀한 이유 밝혀내

미국 - 이크바리 뉴스 통신사

연구, 타투인 유사 행성이 희귀한 이유 밝혀내

스타워즈 사가의 팬이라면 누구나 루크 스카이워커의 고향이자 두 개의 태양으로 정의되는 상징적인 사막 행성 타투인을 기억할 것입니다. 이 영화적 비전이 상상력을 사로잡는 동안, 우리 은하계에서 이중성 항성계를 공전하는 행성의 현실은 예상보다 훨씬 드뭅니다. 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스와 베이루트 아메리칸 대학교의 천체 물리학자들이 최근 수행한 획기적인 연구는 이러한 우주적 희소성에 대한 설득력 있는 설명을 제공하며, 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 비난합니다.

두 개의 별이 공통 질량 중심 주위를 공전하는 이중성 항성계는 놀랍도록 풍부합니다. 현재 추정에 따르면 우리 은하계의 모든 항성계 중 1/3에서 1/2이 이중성 또는 다중성 항성계입니다. 이러한 보편성을 고려할 때, 천문학자들은 이 시스템 내에서 상당수의 외계 행성을 발견할 것으로 예상했습니다. 그러나 외계 행성 목록은 다른 이야기를 들려줍니다. 현재까지 확인된 약 6,100개의 외계 행성 중에서, 이중성 궤도를 도는 행성은 단 14개뿐이며, 이는 천체 물리학자들이 '우주 사막'이라고 부르는 숫자입니다. 이러한 상당한 불일치는 이러한 복잡한 중력 환경에서 행성 생존을 지배하는 역학에 대한 심층적인 조사를 촉발했습니다.

"공전 궤도 공명 포획 및 나선형 이중성 주변 행성들의 멸망"이라는 제목의 선구적인 연구는 UC 버클리의 밀러 박사후 연구원인 모하마드 파르하트(Mohammad Farhat)가 베이루트 아메리칸 대학교의 물리학 교수인 지하드 투마(Jihad Touma)와 협력하여 주도했습니다. 저명한 학술지 *The Astrophysical Journal Letters*에 발표된 그들의 연구 결과는, 특히 가까운 궤도에 있는 행성들이 이중성 항성계에서 불안정해지고 결국 사라지게 만드는 복잡한 메커니즘을 깊이 파고듭니다.

외계 행성에 대한 현재 지식의 대부분은 주로 통과 방법(transit method)을 사용하는 케플러(Kepler) 및 TESS와 같은 우주 망원경에서 비롯됩니다. 이 기술은 행성이 별 앞을 지날 때 별빛의 약간의 감소를 관찰하여 행성을 탐지합니다. 케플러는 약 3,000개의 식쌍성(eclipsing binary stars)을 기록했지만, 이 시스템을 공전하는 확인된 행성의 수는 예상보다 훨씬 적었습니다. 태양과 유사한 별 주위에서 발견된 거대 행성의 빈도(약 10%)를 기반으로, 천문학자들은 이중성 쌍 주위에서 수백 개의 행성을 예측했습니다. 대신, 47개의 후보만이 확인되었고, 그중 14개만이 최종적으로 통과하는 순환 행성(circumbinary planets)으로 확인되었습니다.

파르하트는 "일반적으로 순환 행성의 희소성이 있으며, 7일 이하의 공전 주기를 가진 이중성 주변에는 절대적인 사막이 있습니다."라고 가혹한 현실을 강조했습니다. 그는 식쌍성으로 종종 관찰되는 좁은 이중성 시스템이 바로 행성이 가장 많이 예상되는 시스템이지만, 눈에 띄게 부족하다고 강조했습니다.

파르하트와 투마가 개발한 이론적 틀은 행성계 역학을 조사한 이전 연구를 기반으로 합니다. 투마 교수는 10년 이상 전에 이중 블랙홀과 이중성의 행성 궤도에 미치는 중력적 영향을 탐구하기 시작했습니다. 외계 행성 조사에 대한 그의 후속 분석은 그가 공동 궤도를 도는 별들 사이의 중력적 춤, 특히 그들이 나선형으로 서로 가까워질 때, 좁은 이중성 주변의 '잃어버린' 행성의 원인이 될 수 있다고 이론화하게 만들었습니다.

그들의 설명의 핵심에는 1915년에 처음 제안된 아인슈타인의 일반 상대성 이론(GR)이 있습니다. GR은 중력을 힘이 아닌 질량과 에너지에 의해 발생하는 시공간의 곡률로 설명함으로써 중력에 대한 우리의 이해를 혁신합니다. 이 이론은 고전 뉴턴 물리학이 완전히 설명할 수 없었던 현상인 수성 궤도의 근일점 이동과 같은 다양한 천문학적 이상 현상을 성공적으로 설명했습니다. GR의 원리는 이중성 항성계 내의 복잡한 중력 상호 작용을 포함하여 보편적으로 적용됩니다.

대부분의 이중성 시스템에서, 비슷한 질량의 두 별은 타원형으로 서로를 공전합니다. 천문학자들은 이러한 시스템이 종종 별들이 처음에는 멀리 떨어져 형성되지만, 형성 과정에서 주변 가스와 먼지와의 중력 상호 작용으로 인해 수십억 년에 걸쳐 점차 가까워질 수 있다고 이론화합니다. 이 과정은 궤도를 더욱 정교하게 만들고 서로 더 가깝게 만드는 조석력을 유발합니다.

이 별들이 가까워짐에 따라, 일반 상대성 이론에 의해 예측된 효과는 점점 더 중요해집니다. 연구에 따르면 가까운 이중성은 '근점 공명'(apsidal resonance)이라고 알려진 상태에 들어갈 수 있습니다. 이는 별의 타원 궤도가 세차 운동(회전)하는 속도가 궤도 주기와 일치할 때 발생합니다. 이러한 상태에서, 가까운 행성이 경험하는 중력 섭동은 극적으로 증폭됩니다. 특히 공전 주기가 짧은(7일 미만) 별에 매우 가까운 궤도를 도는 행성의 경우, 이 공명은 극심한 궤도 불안정으로 이어집니다.

이러한 순환 행성에 대한 결과는 심각합니다. 그들의 궤도는 너무 불규칙해져서 장기간 안정적으로 유지되기 어렵습니다. 연구는 이러한 불안정한 궤도에 있는 행성들이 격렬하게 시스템에서 추방되거나, 모항성 중 하나로 끌려가 삼켜지거나, 강력한 조석력에 의해 찢겨 나간다고 가정합니다. 이 역동적인 과정은 효과적으로 행성의 '멸망' 메커니즘으로 작용하며, 좁은 이중성 주변에서 관찰되는 천상의 '사막'이 왜 그렇게 깊은지, 그리고 타투인과 같은 세계가 그러한 구성으로 존재한다면 왜 생존하기 어려울지를 설명합니다.

이 연구는 순환 행성의 희소성에 대한 설득력 있는 설명을 제공할 뿐만 아니라, 항성계의 진화와 천체 역학에 대한 상대론적 효과의 심오한 영향에 대한 우리의 이해를 심화시킵니다. 그것은 우주의 신비를 푸는 데 있어 이론 물리학의 힘을 강조합니다.

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