작은 행성이 하나 더 있는 것만으로 지구는 태양계에서 벗어나 버린다는 시뮬레이션 결과

관측기술의 진보로 태양계 밖에도 지구와 같은 행성이 많이 존재하는 것을 알게 되었으며 지구외 생명체 발견에 대한 기대가 높아지고 있습니다. 그러나 다른 별에 흔히 있는 지구형 행성을 태양계에 배치한 컴퓨터 시뮬레이션에서 태양계는 천문학자의 생각 이상으로 절묘한 밸런스 위에 성립되고 있다는 사실을 알 수 있었습니다.

The Dynamical Consequences of a Super-Earth in the Solar System - IOPscience
https://doi.org/10.3847/PSJ/acbb6b

The planet that could end life on Earth: Experiment demonstrates solar system's fragility
https://phys.org/news/2023-03-planet-life-earth-solar-fragility.html

The planet that could end life on Earth: Experiment demonstrates solar system's fragility

캘리포니아 대학 리버사이드교의 천체물리학자인 스티븐 케인(Steven Kaine) 씨는 독립된 오픈 액세스 저널 Planetary Science Journal에서 가상의 행성을 태양계에 배치한 시뮬레이션 결과에 관한 논문을 발표했습니다.

케인 씨가 이 연구를 시작한 것은 태양계에 있는 두 개의 '갭'을 조사하는 것이 목적이었습니다. 문제의 갭의 첫 번째는 태양계에 있는 '지구형 행성'과 '가스 행성'의 크기의 갭입니다. 태양계 최대 크기의 암석행성은 지구이며 태양계 최소 크기의 가스행성은 해왕성인데 해왕성은 지구의 4배 크기와 17배 질량을 가지고 있습니다.

태양계의 행성을 실제 크기비로 나타낸 이미지를 살펴보면 지구나 화성 등의 암석행성과 목성 등 가스행성의 크기 차이를 한눈에 알 수 있습니다.

Solar System source:https://en.m.wikipedia.org/wiki/File:Solar_System_true_color_(captions).jpg

케인 씨에 따르면 태양계는 다른 별에 비해 지구형 행성과 가스행성의 크기에 너무 갭이 있다고 합니다. 다른 별에는 이 갭을 메우는 질량을 가진 행성이 많이 있으며 천문학자들은 지구보다 큰 질량을 가진 이 암석행성을 슈퍼어스라고 부른다고 합니다.

그리고 두 번째 갭은 화성과 목성 사이의 간격입니다. 태양계의 행성을 실제 거리의 비율에 따라 배치한 이미지를 살펴보면 화성을 포함한 내행성계(Inner planets)부터 바깥쪽은 행성과 행성의 거리가 크게 멀어져 있습니다. 케인 씨에 의하면 천문학자는 자주 이 화성과 목성 사이에 다른 행성이 있으면 좋을 것으로 생각한다는 것.

Solar System distance to scale source:https://en.m.wikipedia.org/wiki/File:Solar_System_distance_to_scale.svg

이러한 태양계의 특징적인 격차를 메우면 어떻게 될지 확인하기 위해 케인 씨는 다양한 크기의 행성을 화성과 목성 사이에 배치하고 그것이 지구와 같은 행성의 궤도에 어떤 영향을 미치는지 분석했습니다.

그 결과 화성과 목성 사이에 슈퍼어스가 있으면 지구가 궤도를 벗어나 태양계에서 벗어난다는 사실을 알 수 있었습니다. 지구뿐만 아니라 수성과 금성과 같은 내행성계의 행성도 튕겨져 나올 가능성이 있었고 천왕성과 해왕성의 궤도도 불안정해졌습니다.

이러한 치명적인 사태를 초래하는 직접적인 원인은 슈퍼어스가 목성의 궤도를 어긋나게 하기 때문으로 목성은 지구의 318배의 질량을 가진 거대 가스행성이므로 약간의 궤도가 바뀌어도 다른 행성에 심각한 영향을 미칩니다.

이 연구결과는 태양계외 행성에 생명이 존재할 수 있는지를 생각하는데 있어서도 중요합니다. 항성에서 멀리 떨어진 가스행성인 '목성형 행성'이 다른 별에서 발견될 가능성은 겨우 10% 정도인데 이 목성형 행성이 있는지에 따라 지구형 행성이 안정된 환경을 얻을 수 있는지가 크게 좌우되기 때문입니다. 이런 식으로 지구형 행성의 궤도를 안정시키는 데 도움이 되는 목성형 행성을 'Good Jupiter'라고 부릅니다.

이번 시뮬레이션 실험에 대해 케인 씨는 “태양계는 내가 이전부터 생각했던 것 이상으로 미묘하게 조정되고 있다는 것을 알게 되었고 태양계의 행성은 마치 시계의 기어처럼 정교하게 맞물려 있어 불필요한 기어가 늘어나면 모든 것이 망가져 버린다"고 보았습니다.