지구는 왜 이렇게 건조할까?

 

 

그림 1> 이 삽화는 46억년 전,  새로 탄생한 태양을 휘감고 있던 원시행성 원반의 구조를 위에서 내려다본 모습으로 두 개의 서로 다른 모델을 비교하고 있다.

태양의 가족인 행성들은 이 원반의 먼지와 얼음이 덩어리지면서 만들어진 것이다. 

이 두 모델의 가장 큰 차이점은 따뜻하고 건조한 지역을 차갑고 거친 지역과 나누는, 스노우 라인(Snow Line)이라 불리는 경계선이 어디쯤에 위치해 있는가에 있다.  

왼쪽 삽화는 표준 원반 모델로서 이 모델에서 지구는 스노우 라인 바깥쪽, 즉 얼음 지역에서 형성되었다고 보고 있다.

그렇다면 우리 지구는 얼음이 뭉쳐지면서 형성되었을 것이므로 반드시 엄청난 양의 물을 가지고 있어야 하며 지구의 구성성분중 물이 상당 부분을 차지하고 있었어야 한다.

그러나 지구는 고작 1퍼센트에 해당하는 질량만큼만이 물에 잠겨 있는 것으로 측정되고 있어 이는 과학자들에게 계속 수수께끼가 되어왔다.

그러나 우측에 그려진 새로운 원반 모델에서 지구는 스노우 라인 안쪽, 따뜻하고 건조한 지역에서 형성된 것으로 예측하고 있다.

이 모델은 지구가 왜 상대적으로 메마른 행성인지를 설명하고 있다.

이 모델은 또한 은하에서 지구와 같은 행성들이 풍부하게 존재할 것이라는 통찰을 제공해주고 있다.

 

The full news release story:

 

거대한 대양들, 수백킬로미터에 걸쳐 뱀처럼 뻗어있는 강들과, 남극과 북극의 거대한 빙하들!
지구는 전혀 물이 부족한 것처럼 보이지 않는다.

그러나 지구가 형성된 이후 혜성이나 소행성에 의해 배달되었을 지도 모를 물에 잠겨 있는 지구의 질량은 전체 질량의 채 1퍼센트에도 미치지 못한다.

지구에 왜 이리 물이 부족한지는 천문학자들에게 있어 오랜 수수께끼이다.

 

표준 모델은 수십억년전, 태양을 둘러싼 가스와 먼지가 소용돌이 치던 원시 행성 원반으로부터 태양계가 형성되었다고 설명하고 있으며 당시 우리 지구는 완전히 물에 잠겨있었을 것이라고 추측하고 있다.  

지구는 태양 주변지역중 원시원반의 물질들이 응축되어 얼음의 형태로 유지가 가능할만큼 충분히 기온이 낮은 지역에서만이 형성 가능했을 것이다.

이는 필연적으로 지구를 구성하는 물질에는 풍부한 물이 포함되어 있었음을 의미한다.

 

그렇다면 왜 우리 지구는 그에 반해 이처럼 메마른 것일까?
 
일반 강착원반 모델에 대한 새로운 해석은 태양을 둘러싼 파편으로부터 행성들이 형성될 때 어떻게 지구가 상대적으로 메마른 행성이 되었는지에 대한 가능성을 설명하고 있다.

메릴랜드주 볼티모어, 우주망원경 과학 연구소의 레베카 마틴(Rebecca Martin)과 마리오 리비오(Mario Livio)가 이끄는 연구에서는 우리 지구가 'Snow Line'이라 불리는 대역 안쪽의 메마르고, 더 고온이었던 지역의 암석 파편으로부터 형성되었다는 사실을 발견했다.

현재 우리 태양계에서 Snow Line은 화성과 목성 사이에 수많은 암석파편들이 몰려있는 소행성 벨트 중간쯤에 위치하고 있다.

이 지역을 넘어서면 태양 빛은 얼음 파편을 녹일 수 없을만큼 약해져서 이 지역은 원시 행성 원반 시절의 파편들이 그대로 남아있다.

이전의 강착 원반모델들은 45억년전 지구가 형성될 당시의 Snow Line은 이보다는 훨씬 가까웠을 것이라고 추측하고 있다. 
 
리비오는 다음과 같이 말하고 있다.
"표준 강착원반모델에서 예견하는 것과는 달리, 우리의 연구에서  Snow Line은 결코 지구 안쪽으로 들어온 적이 없습니다.

스노우 라인은 항상 지구 궤도보다 바깥쪽에 머물러 있었죠. 이것이 바로 왜 지구가 그처럼 메마른 행성인지를 설명하는 이유가 됩니다.
사실 우리의 모델은 수성과 금성, 화성과 같은 다른 내행성들 역시 상대적으로 메마른 행성이라는 사실도 그대로 예측하고 있습니다." 

 
이들의 연구 결과는 왕립 천문학회의 월간지 개재가 받아들여졌다.

 
전통적인 관점에서 태양을 둘러싸고 있던 원시행성 원반은 완전히 이온화(원자 주위를 돌고 있는 전자들이 모두 방출되는 과정)되어 있었으며

태양으로 물질들이 계속 집중되면서 주위의 원반을 계속 가열시켰다고 보고 있다. 

 

따라서 최초 Snow Line은 태양으로부터 훨씬 멀리, 아마도 최소한 16억 킬로미터 이상 벗어나 있었을 것이다.

오랜 시간에 걸쳐 원반을 이루던 물질들이 빠져나가고, 점차 식으면서 Snow Line 역시 지구의 공전궤도를 지나쳐 안쪽으로 좁혀져 들어왔지만

이미 이전에 지구가 형성되는데 시간은 충분했던 것이다.

 

마틴의 설명은 다음과 같다.
"만약 지구가 형성될 때 Snow Line이 지구의 공전궤도 안쪽에 있었다면 지구의 몸체는 얼음으로 이루어졌어야 했을 겁니다.
천왕성이나 해왕성 같이 Snow Line을 훨씬 벗어나서 존재하는 행성들은 수십퍼센트 수준의 물들로 구성되어 있습니다.
그러나 지구에서 물은 그렇게 많이 존재하지 않았고 이것이 항상 수수께끼였습니다."
 
마틴과 리비오의 연구는 표준 강착원반 모델에서 Snow Line의 변천에 관한 문제점을 발견한 것이다.

 

리비오가 말했다.
"우리는 어린 별들을 휘감고 있는 원반이 충분히 이온화되어 있지 않은 점을 보고 이렇게 말했죠.
잠깐, 이것들은 원반을 이온화시키기에는 턱없이 부족한 열기와 복사를 방출하고 있잖아. 이건 표준 원반이라 할 수 없겠군."

 

마틴이 보충설명은 다음과 같다.

"백색왜성과 같은 초고온의 천체라든가 X선원이 되는 천체들은 강착원반을 이온화시킬만큼 충분한 에너지를 방출하고 있죠.
하지만 어린 별들은 자신을 둘러싸고 있는 원반의 전자들을 밀어낼만큼 충분한 에너지를 복사하고 있지 않았습니다."
 
만약 원반이 이온화되지 않는다면 이 지역을 물질들이 떠돌게 한다든가 별로 추락하게 만드는 매카니즘 역시 존재하지 않게 되는 것이다.

별 주위를 공전하는 가스나 먼지가 안쪽을 향해 움직이는 동력이 없어지는 대신 이른바 'Dead Zone'이라는 것이 만들어지게 된다.

Dead Zone은 일반적으로 0.1AU부터 수 AU 정도까지의 폭으로 펼쳐지게 된다.

(AU는 태양으로부터 지구까지의 거리로 이는 약 1억 4천 8백만 킬로미터 정도이다. )

 

이 지역은 마치 일종의 마개처럼 행동하여 물질들이 별로 추락하는 것을 막게 된다.

그러나 물질들은 Dead Zone 앞쪽으로, 마치 콘서트 장의 입구가 열리기를 기다리는 군중들처럼 첩첩이 쌓이면서 밀도가 높아지게 된다. 
그리고 이렇게 밀집된 물질들은 중력에 압축되면서 열을 받게 된다.

이러한 과정은 연쇄적으로 이 지역을 가열시키게 되고 얼음성분들이 증발하면서 건조한 물질들만이 남게 된다. 

지구는 이처럼 태양 주위 수AU에 걸쳐, 고온지대에 널부러져있던 메마른 물질들로부터 형성된 것이다.

 

마틴과 리비오가 개조한 새로운 표준 모델은 왜 지구가 그처럼 풍부한 물들을 소유하고 있지 못하는지를 설명해주고 있다.

그러나 마틴은 이번 모델은 모든 어린 별들과 그 주위의 강착원반의 행동양식을 설명하지는 못한다는 점을 강조하고 있다.

 

리비오 역시 다음과 같이 말하고 있다.
"모든 별들의 원반에 존재하는 조건들은 별마다 모두 다릅니다. 이처럼 수없이 많은 가능성중 하나가 우리 지구라는 최종 결과물을 결정한 것입니다."

 

 

* '허블사이트'폴더에는 허블공식사이트(http://hubblesite.org) 의 뉴스센터 자료를 번역,게시하고 있습니다.
   본 내용은 2012년 7월 17일 발표된 뉴스입니다.

 

원문>

 

그림1>

ABOUT THIS IMAGE:

This illustration of two different disk models shows overhead views of the structure of the protoplanetary disk that encircled the newborn Sun 4.6 billion years ago. The Sun's family of planets agglomerated from dust and ices within the disk.

The major difference between the two models is the location of the so-called snow line, which divides a warm, dry area of the disk from an icy, turbulent region.

In the standard disk model, shown at left, Earth formed beyond the snow line, in an icy region. Our planet should, therefore, contain lots of water because it formed from ices that would have been a major fraction of its composition. However, it's estimated that less than 1 percent of Earth's mass is locked up in water, which has puzzled scientists.

In the new disk model, shown at right, Earth formed in a warmer, dry region, outside the snow line, which is much farther away from the Sun. This model explains why Earth is comparatively dry. It provides new insights into estimates of the abundance of Earth-like planets in the galaxy.

Image Type: Illustration

 

Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

 

The full news release story:

With large swaths of oceans, rivers that snake for hundreds of miles, and behemoth glaciers near the north and south poles, Earth doesn't seem to have a water shortage. And yet, less than one percent of our planet's mass is locked up in water, and even that may have been delivered by comets and asteroids after Earth's initial formation.

Astronomers have been puzzled by Earth's water deficiency. The standard model explaining how the solar system formed from a protoplanetary disk, a swirling disk of gas and dust surrounding our Sun, billions of years ago suggests that our planet should be a water world. Earth should have formed from icy material in a zone around the Sun where temperatures were cold enough for ices to condense out of the disk. Therefore, Earth should have formed from material rich in water. So why is our planet comparatively dry?

A new analysis of the common accretion-disk model explaining how planets form in a debris disk around our Sun uncovered a possible reason for Earth's comparative dryness. Led by Rebecca Martin and Mario Livio of the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Md., the study found that our planet formed from rocky debris in a dry, hotter region, inside of the so-called "snow line." The snow line in our solar system currently lies in the middle of the asteroid belt, a reservoir of rubble between Mars and Jupiter; beyond this point, the Sun's light is too weak to melt the icy debris left over from the protoplanetary disk. Previous accretion-disk models suggested that the snow line was much closer to the Sun 4.5 billion years ago, when Earth formed.

"Unlike the standard accretion-disk model, the snow line in our analysis never migrates inside Earth's orbit," Livio said. "Instead, it remains farther from the Sun than the orbit of Earth, which explains why our Earth is a dry planet. In fact, our model predicts that the other innermost planets, Mercury, Venus, and Mars, are also relatively dry. "

The results have been accepted for publication in the journal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

In the conventional model, the protoplanetary disk around our Sun is fully ionized (a process where electrons are stripped off of atoms) and is funneling material onto our star, which heats up the disk. The snow line is initially far away from the star, perhaps at least one billion miles. Over time, the disk runs out of material, cools, and draws the snow line inward, past Earth's orbit, before there is sufficient time for Earth to form.

"If the snow line was inside Earth's orbit when our planet formed, then it should have been an icy body," Martin explained. "Planets such as Uranus and Neptune that formed beyond the snow line are composed of tens of percents of water. But Earth doesn't have much water, and that has always been a puzzle."

Martin and Livio's study found a problem with the standard accretion-disk model for the evolution of the snow line. "We said, wait a second, disks around young stars are not fully ionized," Livio said. "They're not standard disks because there just isn't enough heat and radiation to ionize the disk."

"Very hot objects such as white dwarfs and X-ray sources release enough energy to ionize their accretion disks," Martin added. "But young stars don't have enough radiation or enough infalling material to provide the necessary energetic punch to ionize the disks."

So, if the disks aren't ionized, mechanisms that would allow material to flow through the region and fall onto the star are absent. Instead, gas and dust orbit around the star without moving inward, creating a so-called "dead zone" in the disk. The dead zone typically extends from about 0.1 astronomical unit to a few astronomical units beyond the star. (An astronomical unit is the distance between Earth and the Sun, which is roughly 93 million miles.) This zone acts like a plug, preventing matter from migrating towards the star. Material, however, piles up in the dead zone and increases its density, much like people crowding around the entrance to a concert, waiting for the gates to open.

The dense matter begins to heat up by gravitational compression. This process, in turn, heats the area outside the plug, vaporizing the icy material and turning it into dry matter. Earth forms in this hotter region, which extends to around a few astronomical units beyond the Sun, from the dry material. Martin and Livio's altered version of the standard model explains why Earth didn't wind up with an abundance of water.

Martin cautioned that the revised model is not a blueprint for how all disks around young stars behave. "Conditions within the disk will vary from star to star," Livio said, "and chance, as much as anything else, determined the precise end results for our Earth."

CONTACT

Donna Weaver / Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4493 / 410-338-4514
dweaver@stsci.edu / villard@stsci.edu

Mario Livio
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4439
mlivio@stsci.edu