목성형

목성형 행성, 또는 가스 거성은 성운 기체를 주성분으로 하는 행성이다. 원시행성 원반에서 수소와 헬륨을 끌어모아 형성된다. 모든 행성 유형 중 질량과 크기가 가장 크다. 목성형 행성은 모성 바로 근처부터 분리된 궤도, 심지어 비속박 궤도까지 어디서나 발견되지만, 물 서리선 근방에 가장 많이 분포한다.
목성형 행성 주위에는 대체로 위성과 고리로 이루어진 대규모 계가 형성된다. 이러한 위성계는 행성계에 비견되곤 하며, 테라젠들이 매우 선호하는 대상이기도 하다.

목차

1. 형성과 역학
1.1 형성
1.2 위치
2. 특성 2.1 질량 2.2 반지름 2.3 자전과 편평도
2.4 위성 및 고리계
2.5 외관
2.6 생물권

형성과 역학

형성

목성형(Jovian)은 핵 강착(core accretion)이라 불리는 과정을 통해 형성된다. 암석과 얼음으로 이루어진 거대한 핵이 빠르게 성장하여 임계 질량에 도달하는데, 그 범위는 약 3×10²⁵~6×10²⁵ kg, 즉 지구 질량의 5~10배에 해당한다. 이 임계 질량에 도달하면 원시행성계 원반 내의 가스(주로 수소와 헬륨)를 끌어당길 수 있게 된다. 초기에는 매우 뜨거운 핵에서 발생하는 열압력이 가스 강착을 지연시킨다. 핵이 냉각되면 열압력이 줄어들고 가스가 강착되기 시작하며, 행성은 빠르게 성장하여 목성형이 된다.

원시행성계 원반 내의 가스는 수백만 년 이내에 소산되는 것이 일반적이다. 따라서 목성형 형성은 그 시간 안에 완료되어야 하는 신속한 과정이다. 이 때문에 목성형은 물 얼음선(water ice line)처럼 고체 물질 밀도가 높은 특정 영역에서 형성되는 경우가 많다.

형성 중인 목성형 주위에는 흔히 주행성 원반(circumplanetary disc)이 존재한다. 이 원반 안에서는 행성의 적도면과 궤도가 정렬된 규칙위성(regular satellite)이 형성될 수 있다.

위치

목성형은 태양 질량의 1~2배에 해당하는 항성 주위에서 가장 흔하게 발견되며, 이 범위에서 발생 빈도는 약 20~30%에 달한다. 질량이 작은 항성 주변에서는 점점 드물어진다. 또한 목성형은 금속성이 높은 항성 주변에서 뚜렷하게 선호적으로 형성된다. 그런 항성의 원시행성계 원반에는 가스 원반이 소산되기 전에 목성형 핵을 빠르게 조립할 수 있는 재료가 더 풍부하기 때문이다.

목성형은 물 얼음선 바로 바깥에서 가장 자주 형성되지만, 수십 천문단위(au) 떨어진 곳에서도 형성될 수 있다. 약 100 au를 넘어서면 원반 파편화(disc fragmentation)가 지배적으로 작용하여 목성형 대신 준갈색왜성(sub-brown dwarf)이 형성된다. 중간 거리 쌍성계에서는 주성 원반 절단 반경(circumstellar disc truncation radius) 근처에서도 형성될 수 있다.

대부분의 항성계에는 목성형이 1~2개뿐이지만, 일부 계에서는 여러 개의 거대 목성형이 형성되기도 한다. 이런 계는 역학적 불안정에 취약하여 일부 목성형이 계 밖으로 방출되거나 이심률이 크고 기울어진 궤도로 밀려나기도 한다. 그 결과 계 내 다른 행성들이 악영향을 받는다.

소수의 목성형은 형성 위치에서 물 얼음선 안쪽 궤도로 이동하여 온난 목성형이나 열 목성형(hot jovian)이 된다. 이러한 안쪽 이동은 여러 경로로 일어난다. 가스 원반이나 미행성체와의 상호작용으로 점진적으로 이동하기도 하고, 때로는 더 작은 행성들과 함께 이동하기도 한다. 또는 역학적 산란이나 폰 자이펠-리도프-코자이(von Zeipel-Lidov-Kozai) 메커니즘으로 인해 이심 궤도에 놓이고(다른 행성들을 산란시키면서), 이후 조석 원형화(tidal circularization)가 뒤따르기도 한다. 이러한 과정들을 통해 목성형은 모항성으로부터 다양한 거리, 이심률, 그리고 항성 자전면에 대한 다양한 궤도 기울기를 가지게 된다.

특성

질량

목성형 행성의 질량은 대체로 지구 질량의 수십 배에서 시작한다. 이 하한선은 수소-헬륨 외피의 질량이 무거운 원소로 이루어진 핵의 질량과 같아지는 지점이다. 상한선은 목성 질량의 10배를 넘기도 한다. 이처럼 큰 질량을 갖는 이유는 형성 과정에 있다. 원시행성계 원반 속 핵이 가스를 끌어당기려면 충분히 무거워야 하고, 두 가지 가장 가벼운 기체인 수소와 헬륨이 탈출하지 못하도록 깊은 중력 우물이 필요하기 때문이다.

목성형 행성은 흔히 질량에 따라 세 가지 유형으로 나뉜다.

준목성형(Subjovian): 5.7E26 kg 미만(목성 질량의 0.3배 미만). 이 유형의 행성은 질량이 늘어날수록 반지름이 빠르게 커진다. 질량이 낮은 일부 준목성형 행성은 내부에 금속성 수소층이 없다.

중목성형(Midjovian)(또는 단순히 목성형): 5.7E26~5.7E27 kg(목성 질량의 0.3~3배). 중목성형 행성의 반지름은 질량 증가에 따라 완만하게 커지며, 이 유형의 상한 경계 근처에서 최대값에 도달한다.

초목성형(Superjovian): 5.7E27 kg 초과(목성 질량의 3배 초과). 초목성형 행성의 반지름은 질량이 늘어날수록 오히려 약간 줄어든다. 이 경향은 갈색왜성과 백색왜성에서도 동일하게 나타난다.

반지름

질량이 낮은 범위에서는 목성형 행성의 반지름이 질량에 따라 빠르게 커진다. 목성 질량의 약 0.3배를 넘어서면 이 속도가 느려지는데, 추가로 쌓이는 질량이 내부를 더 강하게 압축하기 때문이다. 목성형 행성의 반지름은 목성 질량의 약 3배 지점에서 최대 약 86,000 km에 이르며, 이 질량을 초과하면 반지름이 서서히 줄어들기 시작한다.

실제로는 열 때문에 이 이론적 한계보다 큰 목성형 행성도 존재한다. 젊고 뜨거운 목성형 행성은 처음에 나이 든 것보다 훨씬 크며, 켈빈-헬름홀츠 메커니즘에 따라 표면이 식으면서 점차 수축한다. 또한 모항성 가까이 공전하는 목성형 행성은 열로 인해 반지름이 부풀어오르기도 한다. 이른바 뜨거운 목성(Hot Jupiter)은 반지름이 최대 약 160,000 km, 즉 목성 반지름의 약 2.2배에 달할 수 있다.

자전과 편평도

다른 대질량 천체에서 멀리 떨어진 목성형 행성 대부분은 형성 과정에서 얻은 빠른 자전을 유지한다. 이 자전 속도는 대체로 분열 한계 자전 속도의 상당한 비율에 해당한다. 빠른 자전 때문에 많은 목성형 행성은 눈에 띄게 납작한 모양(편평)이 된다. 편평도는 자전 속도와 표면 중력 모두에 달려 있다. 따라서 중력이 상대적으로 낮고 자전이 빠른 행성일수록 더 많이 납작해진다.

위성과 고리계

목성형 행성은 대체로 여러 위성을 거느리며 형성된다. 소행성 크기에서 행성 크기까지 다양한 규모의 규칙 위성들은 대부분 모행성의 적도면과 잘 정렬된 궤도를 돈다. 이는 행성 주위 원반에서 함께 형성된 결과다. 또한 목성형 행성은 지나가는 천체를 포획해 불규칙 위성으로 만들기도 한다. 이 위성들은 먼 거리의 기울어진 궤도에서 강한 섭동을 받으며 끊임없이 변화한다. 이들은 서로 충돌해 비슷한 궤도에 더 작은 파편 무리를 만들기도 하는데, 이는 항성 주위 소행성대의 거동과 닮았다.

평균운동 공명 상태에 있는 대형 위성들 사이의 중력 상호작용은 궤도 이심률을 열로 변환하는 조석 원형화와 결합해, 일부 위성에 강렬한 조석 가열을 일으킨다. 그 결과, 크기나 온도만으로는 지질 활동이 불가능할 법한 위성에서도 내인성 지질 활동이 나타날 수 있다.

많은 목성형 행성은 고리계도 지닌다. 고리는 밀도가 높고 선명한 것도 있고, 희박하고 어두운 것도 있다. 고리는 행성 및 위성과 끊임없이 상호작용한다. 위성은 공명이나 양치기 효과를 통해 고리에 간극을 만들고, 행성 진동과의 중력 상호작용은 고리 안에 나선파를 만들어낸다.

강한 중력 상호작용을 겪은 목성형 행성의 경우, 위성과 고리가 크게 변형되거나 아예 소멸하기도 한다. 또한 항성 가까이 이동한 목성형 행성은 힐 구(Hill sphere)가 수축하고 자전이 느려져 조석 고정이 될 수 있으며, 이 과정에서 위성과 고리를 잃을 수도 있다.

외관

목성형 행성은 해왕성형 행성과 마찬가지로 눈에 보이는 표면이 없다. 대신 대기에서 일어나는 여러 현상들, 즉 레일리 산란, 흡수, 구름, 광화학 안개가 전체적인 외관을 결정한다. 이 세부 사항들은 대기 온도와 강하게 연관되어 있기 때문에, 목성형 행성은 흔히 온도나 에어로졸 유형에 따라 분류된다.

다른 효과가 없다면 레일리 산란은 흰 외관을 만들어낸다. 단파장 광자를 더 효율적으로 산란시키지만, 목성형 행성의 대기는 충분히 깊어서 장파장 광자도 대부분 산란되어 돌아올 수 있기 때문이다. 그러나 실제로 대부분의 목성형 행성에는 우주에서 보이는 외관을 바꾸는 다른 효과들이 존재한다.

목성형 행성 대기 속 다양한 기체 성분은 특정 파장이나 파장 범위의 광자를 흡수한다. 정확한 성분과 농도에 따라 다양한 색조가 만들어진다. 가시광선을 강하게 흡수하는 대표적인 성분으로는 메탄, 수증기, 알칼리 금속이 있다.

목성형 행성은 대체로 대기 깊이에 따라 서로 다른 화학 성분의 구름층을 여러 겹 형성한다. 주요 구름층은 약 0.1 bar의 대류권계면까지 올라올 수 있으며, 얇고 흐릿한 구름은 그보다 더 높은 고도에서 나타나기도 한다. 아래쪽 구름층은 대기 산란이나 상층 구름에 가려 보이지 않으므로, 가장 위에 있는 구름층만 눈에 띈다.

아울러 고에너지 광자(주로 모항성에서 오는)를 많이 받는 행성에서는 광화학 안개가 풍부하게 생성될 수 있다. 안개는 구름층보다 훨씬 높은 고도에서 형성되며, 충분히 두꺼우면 하층 구름을 완전히 가릴 수도 있다. 안개는 새로운 보충이 없을 때(주로 그늘진 곳에서 햇빛이 닿지 않을 때)나 폭풍에 의해 걷힌다.

생물권

생물권을 가진 목성형 행성은 비교적 드물다. 생명에 필요한 원소들이 대체로 희석되어 극히 소량만 존재하기 때문이다. 이러한 생명체는 해당 행성에서 자생하거나, 다른 천체(주로 위성)에서 전이되어 올 수 있다.

목성형 생물권의 사례로는 Big Bob과 Lontis가 있으며, 이 행성들에서는 상층 대기에 생명체가 서식한다. Menexenos는 금속 수소층에 생명체가 살고 있는 사례다.

Articles Related topics