행성 충돌이 대기 날린다? "오히려 대기 붙잡는다" 예일대 연구

상하이교통대·예일대 연구진, Nature Astronomy 발표…외계행성 반경 분포 수수께끼 실마리

암석 행성이 거대 천체와 충돌할 때 대기를 잃는다는 기존 정설과 달리 충돌이 오히려 원시 대기를 붙잡는 데 도움을 준다는 연구 결과가 나왔다. (AI 생성 이미지)

암석 행성이 거대 천체와 충돌할 때 대기를 잃는다는 수십 년 된 정설이 뒤집혔다. 충돌이 오히려 원시 행성이 수소가 풍부한 원시 대기를 붙잡는 데 도움을 준다는 연구 결과가 나왔다.

상하이교통대 퉁다오리 연구소와 예일대 지구행성과학과 연구진이 국제학술지 Nature Astronomy에 발표한 논문에서, 거대 충돌은 대기의 중력 결합 에너지를 증가시켜 충돌로 발생하는 열 효과보다 대기 유지 쪽으로 행성을 끌어당긴다고 밝혔다.

지구 크기 이상의 암석 행성은 형성 마지막 단계에서 하나 이상의 거대 충돌을 겪는 것으로 알려져 있다. 일부 충돌은 원시 행성 원반이 사라진 뒤 발생해 수소가 풍부한 원시 대기를 잃게 만드는 원인으로 지목돼 왔다. 그러나 거대 충돌이 대기 손실을 촉진하는지, 아니면 보존을 돕는지는 그동안 명확히 밝혀지지 않았다.

연구진은 거대 충돌 이후 대기 진화를 지배하는 핵심 요인이 행성의 중력 결합 에너지 증가라는 사실을 모델로 규명했다. 충돌로 인해 대기는 오히려 더 강하게 중력에 묶인다는 것이다.

거대 충돌은 에너지 대부분을 규산염 맨틀에 쏟아 충격 가열을 일으킨다. 그러나 대기 진화를 결정하는 지배적 과정은 충돌 자체의 국소적 역학 효과가 아니라 행성 중력 결합 에너지의 순변화라고 연구진은 설명했다.

연구진은 원시 행성 원반 소멸 이후 발생한 가장 큰 거대 충돌 이후 암석 행성의 진화를 모델화하면서, 중력 결합 에너지와 맨틀 열에너지의 동시 증가를 일관되게 반영했다. 그 결과 대기를 가진 더 큰 행성이 충돌 성장을 통해 우선적으로 나타난다는 결론을 얻었다.

반면 거대 충돌을 겪지 않은 소형 행성은 지속적인 별의 복사 아래 원시 대기를 잃는 경향이 있다고 연구진은 밝혔다. 전체 행성 집단 수준에서 보면, 이 결과는 해왕성형 소행성(sub-Neptune)이 슈퍼지구보다 평균적으로 더 무거운 암석 내부를 가졌음을 시사한다.

이 연구는 외계행성 관측에서 자주 발견되는 슈퍼지구와 해왕성형 소행성의 반경 이중 분포를 설명하는 실마리가 될 수 있다고 연구진은 밝혔다.

"거대 충돌은 암석 행성이 성장하는 핵심 과정"이라고 예일대 지구행성과학과 교수이자 공동 저자인 준 코레나가는 말했다. "이번 연구는 거대 충돌이 거의 항상 완전한 대기 손실로 이어진다는 수십 년간의 정설을 뒤집고, 충돌이 해왕성형 소행성 형성에 결정적 역할을 할 수 있음을 보여준다"고 코레나가는 밝혔다.

원시 행성 원반이 소멸한 뒤에는 행성이 거대 충돌 이후 새로운 수소가 풍부한 대기를 다시 축적할 수 없어, 대기 손실이 발생하면 영구적이 된다. 연구진은 향후 외계행성 대기 관측 데이터와 비교 검증이 필요하다고 덧붙였다.