생명의 탄생을 가능하게 해 준 소행성 벨트

 

 

그림설명> 이 삽화는 소행성 벨트의 진화에 대한 세 가지 가설을 담고 있다. 

가장 상단 그림에서, 목성형 행성은 소행성 벨트지역을 가로질러 움직이며 소행성 벨트의 물질들을 사방으로 날려버리고 있고, 생명이 거주할만한 행성의 형성을 억제하는 작용을 하고 있다. 

두 번째 그림은 우리 태양계와 같은 모델을 보여주고 있다.

목성형 행성은 소행성 벨트 바로 바깥쪽에 위치하면서 아주 약간씩 안쪽으로 이동을 계속하고 있다. 

세번째 그림에서 거대 행성은 일체 궤도의 움직임을 보이지 않고 있으며 그 결과 소행성 벨트는 무거운 질량을 그대로 유지하게 된다. 

이처럼 거대한 규모로 남게 되는 소행성 벨트에서 다른 행성에 대한 충돌이 발생하게 되면 그 엄청난 폭발력으로 인해 생명의 탄생과 진화는 가능하지 않게 될 것이다. 

 

The Full News Release

 

생명을 배태해낸 행성이 있는 행성계는 정확한 질량을 유지하고 있는 소행성 벨트의 존재여부에 좌우되는, 매우 드물게 나타나는 특이 경우일지 모른다는 주장이 콜로라도 볼더 대학의 세이건 학회 특별회원인 레베카 마틴(Rebecca Martin)과 우주망원경과학 연구소의 천문학자 마리오 리비오(Mario Livio)에 의해 제기되었다. 

 

이들은 태양의 원시행성원반이 진화하는 와중에, 그리고 목성과 같은 근처의 거대행성의 중력에 영향을 받아 생성된 소행성 벨트의 크기와 위치가 지구형 행성에서 복잡한 생명체가 발생할 수 있는지를 결정하는 요소가 될지도 모른다고 제안한 것이다. 

 

소행성들은 이들이 지구에 충돌할 가능성과 그로 인한 대량 멸종을 야기시킬 수 있다는 가능성으로 항상 성가신 존재로 간주되었기 때문에 

이러한 주장은 다소 의외의 주장으로 들릴 것이다. 

 

그러나 최근 대두되고 있는 견해들은 소행성의 행성 충돌이 생명의 탄생과 복잡한 생명체로의 진화에 대한 구동력을 제공했다는 입장을 견지하고 있다. 

 

소행성들은 물과 유기화합물을 초기 지구에 가져다 준것으로 추측된다. 

 

단속평형이론에 따르면 우연하게 발생하는 소행성 충돌은 특정 지점을 향하고 있는 지구의 환경조건을 단절시킴으로서 생물학적 진화율을 가속시키는 작용을 하는 것으로 보이며 생물 종들은 반드시 새로운 환경적응 전략을 수용해야 한다고 말하고 있다. 

 

천문학자들은 이러한 결론을 이론적 모델의 분석과 외계행성계에서 발견된 목성형 행성에 대한 지금까지의 관측들, 그리고 갓 태어난 별의 주위를 돌고 있는 파편 원반들에 근거를 두어 유추하고 있다. 

 

이번 연구의 책임자인 마틴의 의견은 다음과 같다.

"우리 연구는 주변의 암석질 행성에서 생명의 발생가능성을 제공해줄만한 적당한 크기의 소행성 벨트가 있고, 그리고 이 적당한 크기의 소행성벨트를 만들만한 적합한 위치에 목성형 행성이 존재하는 행성계가 극히 일부에 지나지 않는다는 것을 보여주고 있습니다. 

따라서 우리 연구는 우리 태양계가 아주 특별한 행성계라는 점을 말해주고 있는 것입니다."

 

이번 연구는 오늘 월간 왕립천문학회지를 통해 발표될 예정이다. 

 

마틴과 리비오의 견해는 목성형행성에 대한 소행성벨트의 상대적인 위치는 우연이 아니라는 점을 말하고 있다. 

 

우리 태양계에서 소행성벨트는 화성과 목성사이에 위치하고 있으며 이 지역에는 수백만 개의 암석들이 '스노우 라인(snow line)' 근처에 자리잡고 있다. 

스노우 라인은  얼음과 같은 휘발성 물질들이 원래 형태를 그대로 유지할 수 있을만큼의 충분한 거리를 태양으로부터  유지하고 있는 한계선을 말한다. 

 

우리 태양계에서 목성형 행성이 형성되던 지점은 스노우 라인 너머에 존재하고 있었으며 이곳에서 거대한 목성형 행성을 형성시키기에 충분한 만큼의 얼음과, 암석, 금속들이 밀집되면서 목성과 같은 거대 행성을 만들게 된 것이다.  

 

이처럼 스노우 라인 바깥쪽에서 목성이 형성될 때, 이 행성으로부터 발생한 강력한 중력은 근처 안쪽 궤도에서 공전궤도를 그리고 있던 물질들이 합쳐져서 새로운 행성을 만드는 작용을 방해하게 된다. 

목성의 중력은 물질들을 붕괴시키고 찢어내는 작용을 발생시키는 원인이 되는 것이다. 

그리고 이러한 작용의 결과 파편화한 암석들이 태양 주위에 소행성벨트를 형성하게 되는 것이다. 

 

리비오의 설명은 다음과 같다. 

 "생명이 탄생하기에 이상적인 조건을 얻기 위해서는 소행성 벨트 바깥쪽에 목성과 같은 거대 행성이 존재해야 합니다. 

그리고 이 거대 행성은 소행성벨트에 대해 거리를 두고 조금씩 다가오는 형태를 유지해야 하죠. 

분명한 건 절대 벨트를 가로지르는 움직임이 있어서는 안된다는 것입니다.  

만약 목성과 같은 거대행성이 벨트 중간을 가로질러 이동한다면 이 행성은 소행성 벨트의  물질들을 사방에 분산시키게 될 것입니다. 

또 한편으로 거대한 행성이 소행성 벨트에서 멀리 떨어져 있어서 일체 영향을 미치지 않는다면  이 역시 그다지 좋은 현상은 아닙니다.

왜냐하면 소행성벨트가 아마도 대단히 무거운 상태로 남게 될 것이기 때문입니다. 

이러한 상태에서 소행성 충돌은 엄청난 폭발만을 야기할 뿐, 생명의 진화와는 전혀 관계없는 현상이 되고 맙니다."

  

사실 태양계가 유아기에 머물러 있던 동안 소행성벨트에는 또 하나의 지구를 충분히 만들고도 남을만큼의 물질들이 존재하고 있었지만, 목성이 존재하고 있었고, 이 목성이 태양 쪽으로 약간씩 움직이고 있었기 때문에 소행성 벨트의 물질들을 우주 공간으로 뿌려놓는 원인이 되기도 했다. 

오늘날 소행성 벨트는 최초 이곳에 존재하던 물질의 총질량에 단 1퍼센트에도 미치지 못하는 상태이다.   

  

마틴과 리비오는 우리 태양계를 모델로 사용한다면, 다른 행성계에서의 소행성 벨트도 거의 스노우 라인에 해당하는 지점에 위치할 것이라는 것을 추측할 수 있다고 제안한다. 

 

자신들의 제안을 실험하기 위해 마틴과 리비오는 어린 별 주위에 형성된 원시행성원반모델을 만들었으며 이 원반의 중심에 위치하는 별의 질량을 기반으로 스노우라인이 위치하게 되는 지점을 계산하였다.  

  

그리고 이들은 NASA의 스피처 우주망원경을 이용하여 90개의 별들을 관측한 결과 태양계의 소행성 벨트에 해당하는 천체구조물의 존재를 가리키는 따뜻한 먼지덩어리를 가지고 있다는 것을 알아내었다.  

이 따뜻한 먼지 덩어리의  온도는 스노우라인에 해당하는 온도를 유지하고 있었다. 

이에 대해 마틴은 이들 먼지덩어리들은 자신들이 계산해낸 스노우 라인에 해당하는 것이며 그래서 관측결과는 시종일관 자신들의 예견을 지지하고 있다고 말했다. 

 

이 두 명의 학자들은 우리 태양계 바깥에서 발견된 520개의 거대 행성에 대해서도 연구를 계속하였다. 

연구의 대상이 된 거대 행성들 중 오직 19개만이 스노우 라인 바깥쪽에 위치하고 있었다. 

이 사실은 대부분의 거대 행성들이 스노우라인 바깥쪽에서 형성되지만 소행성벨트 근처의 지구형 행성에서 생명의 진화를 촉발시키는데 필요한 얇고 넓게 퍼져 있는 소행성 벨트를 형성하기에는 너무나 멀리 떨어져 있다는 사실을 의미한다. 

 

명백하게 4퍼센트에 미치지못하는 행성계에서만 완벽한 소행성벨트와 같은 실제적인 은신처가 존재한다는 점이 관측되었다.  

 

리비오는 다음과 같이 덧붙였다.

"우리의 예상 시나리오를 근거로, 우리는  스노우라인 바깥쪽에 거대 행성이 존재하는 행성계에서 복잡한 생명체를 찾는 노력을 지속할 것입니다."

 

* '허블사이트'폴더에는 허블공식사이트(http://hubblesite.org) 의 뉴스센터 자료를 번역,게시하고 있습니다.

   본 내용은 2012년 11월 1일 발표된 뉴스입니다.

 

참고 : 태양계의 다양한 작은 천체에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          왜소행성 :  https://big-crunch.tistory.com/12346957
          소행성 :  https://big-crunch.tistory.com/12346956
          혜성 :  https://big-crunch.tistory.com/12346955
          유성 :  https://big-crunch.tistory.com/12346954

 

원문>

 

Asteroid Belts of Just the Right Size are Friendly to Life

 

 

그림>

 

ABOUT THIS IMAGE:

This illustration shows three possible scenarios for the evolution of asteroid belts. In the top panel, a Jupiter-size planet migrates through the asteroid belt, scattering material and inhibiting the formation of life on planets. The second scenario shows our solar-system model: a Jupiter-size planet that moves slightly inward but is just outside the asteroid belt. In the third illustration, a large planet does not migrate at all, creating a massive asteroid belt. Material from the hefty asteroid belt would bombard planets, possibly preventing life from evolving.

 

 

 

The full news release story:

 

 

 

Solar systems with life-bearing planets may be rare if they are dependent on the presence of asteroid belts of just the right mass, according to a study by Rebecca Martin, a NASA Sagan Fellow from the University of Colorado in Boulder, and astronomer Mario Livio of the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Md.

They suggest that the size and location of an asteroid belt, shaped by the evolution of the Sun's protoplanetary disk and by the gravitational influence of a nearby giant Jupiter-like planet, may determine whether complex life will evolve on an Earth-like planet.

This might sound surprising because asteroids are considered a nuisance due to their potential to impact the Earth and trigger mass extinctions. But an emerging view proposes that asteroid collisions with planets may provide a boost to the birth and evolution of complex life.

Asteroids may have delivered water and organic compounds to the early Earth. According to the theory of punctuated equilibrium, occasional asteroid impacts might accelerate the rate of biological evolution by disrupting a planet's environment to the point where species must try new adaptation strategies.

The astronomers based their conclusion on an analysis of theoretical models and archival observations of extrasolar Jupiter-sized planets and debris disks around young stars. "Our study shows that only a tiny fraction of planetary systems observed to date seem to have giant planets in the right location to produce an asteroid belt of the appropriate size, offering the potential for life on a nearby rocky planet," said Martin, the study's lead author. "Our study suggests that our solar system may be rather special."

The findings will appear today in the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters (published by Oxford University Press).

Martin and Livio suggest that the location of an asteroid belt relative to a Jupiter-like planet is not an accident. The asteroid belt in our solar system, located between Mars and Jupiter, is a region of millions of space rocks that sits near the "snow line," which marks the border of a cold region where volatile material such as water ice are far enough from the Sun to remain intact. At the time when the giant planets in our solar system were forming, the region just beyond the snow line contained a dense mix of ices, rock, and metals that provided enough material to build giant planets like Jupiter.

When Jupiter formed just beyond the snow line, its powerful gravity prevented nearby material inside its orbit from coalescing and building planets. Instead, Jupiter's influence caused the material to collide and break apart. These fragmented rocks settled into an asteroid belt around the Sun.

"To have such ideal conditions you need a giant planet like Jupiter that is just outside the asteroid belt [and] that migrated a little bit, but not through the belt," Livio explained. "If a large planet like Jupiter migrates through the belt, it would scatter the material. If, on the other hand, a large planet did not migrate at all, that, too, is not good because the asteroid belt would be too massive. There would be so much bombardment from asteroids that life may never evolve."

In fact, during the solar system's infancy, the asteroid belt probably had enough material to make another Earth, but Jupiter's presence and its small migration towards the Sun caused some of the material to scatter. Today, the asteroid belt contains less than one percent of its original mass. Using our solar system as a model, Martin and Livio proposed that asteroid belts in other solar systems would always be located approximately at the snow line. To test their proposal, Martin and Livio created models of protoplanetary disks around young stars and calculated the location of the snow line in those disks based on the mass of the central star.

They then looked at all the existing space-based infrared observations from NASA's Spitzer Space Telescope of 90 stars having warm dust, which could indicate the presence of an asteroid belt-like structure. The temperature of the warm dust was consistent with that of the snow line. "The warm dust falls right onto our calculated snow lines, so the observations are consistent with our predictions," Martin said.

The duo then studied observations of the 520 giant planets found outside our solar system. only 19 of them reside outside the snow line, suggesting that most of the giant planets that may have formed outside the snowline have migrated too far inward to preserve the kind of slightly-dispersed asteroid belt needed to foster enhanced evolution of life on an Earth-like planet near the belt. Apparently, less than four percent of the observed systems may actually harbor such a compact asteroid belt.

"Based on our scenario, we should concentrate our efforts to look for complex life in systems that have a giant planet outside of the snow line," Livio said.

CONTACT

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

Rebecca Martin
University of Colorado, Boulder, Colo.
rebecca.martin@jila.colorado.edu

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