태양계의 개념도. 비율은 정확하지 않다. (출처: NASA)
점점 느려지는 내부 태양계 공전 속도.. 이유를 찾았다!
내부 태양계는 현대 물리학의 법칙이 예측하는 것보다 훨씬 느리게 회전하는 것으로 밝혀졌는데, 그 이유는 미스터리였다. 하지만 새로운 연구가 그 이유를 설명하는 데 도움이 될 것으로 기대되고 있다.
강착 원반으로 알려진 얇은 가스와 먼지 원반이 어린 별 주위를 나선형으로 돌고 있다. 행성이 형성되는 이 원반에는 별을 만들고 남은 질량의 일부가 포함돼 있다. 각운동량 보존법칙에 따르면 피겨스케이팅 선수가 팔을 몸에 가까이 할 때 더 빨리 회전하듯이 물질이 별을 향해 안쪽으로 천천히 나선형으로 회전하면서 떨어질 때 원반의 내부 부분은 더 빨리 회전해야 한다.
그러나 이전 관측에서는 지구형 행성을 포함한 영역인 내부 태양계가 각운동량 보존 법칙에 의해 예측된 만큼 빠르게 회전하지 않는 것으로 밝혀졌다. 캘리포니아공대(Caltech) 과학자들은 가상 강착원반의 새로운 시뮬레이션을 사용해 강착원반의 입자가 상호작용하는 방식을 밝혔다.
“각운동량은 속도 곱하기 반경에 비례하며, 각운동량 보존 법칙에 따르면 시스템의 각운동량은 일정하게 유지된다”고 칼텍 연구원들은 성명에서 밝혔다. 따라서 스케이터의 팔이 안쪽으로 당겨져 반경이 줄어들면 각운동량을 일정하게 유지하는 유일한 방법은 회전속도를 높이는 것이다.”
그렇다면 내부 강착 원반의 각운동량이 저장되지 않는 것은 왜일까? 이전 연구는 강착 원반 영역 간의 마찰 또는 난류를 생성하는(또는 마찰을 생성하는) 자기장이 유입되는 가스의 회전 속도를 늦출 수 있다고 제안했다.
이번 연구의 공동저자이자 칼텍 응용물리학 교수인 폴 벨란은 각운동량 손실을 보다 잘 이해하기 위해 강착원반에서 개별 원자, 이온 및 가스의 궤적과 충돌 전후에 입자가 어떻게 행동하는지를 연구했다. 하전 입자(전자와 이온)는 중력과 자기장의 영향을 받지만 중성 원자는 중력의 영향만 받는다.
연구자들은 컴퓨터 모델을 사용하여 자기장과 중력장에서 4만 개의 중성 입자와 충돌하는 1천 개의 하전 입자 강착 원반을 시뮬레이션했다. 그들은 중성 원자와 훨씬 적은 수의 하전 입자 사이의 상호작용에 의해 정전하를 띤 이온, 즉 양이온이 안쪽으로 나선으로 떨어지고 음전하를 띤 입자(전자)가 강착 원반의 가장자리를 향해 바깥쪽으로 이동하는 것을 발견했다. 반면 중성입자는 각운동량을 잃고 중심으로 안쪽으로 나온 운동을 한다.
강착원반은 원반 중심 부근에 양극단자가 있고 끝에는 음극단자가 있는 거대한 배터리 역할을 하는데, 그 전극은 원반의 양쪽에서 공간으로 발사되는 강력한 전류 또는 물질제트를 생성한다.
컴퓨터 시뮬레이션은 각운동량이 손실되는 동안 표준각운동량(본래 일반각운동량과 입자의 전하 및 자기장에 따라 다른 추가량의 합)이 보존될 것을 제안한다.
연구진은 성명서에서 “전자는 음이고 양이온은 양이온이기 때문에 충돌로 인한 이온의 안쪽 움직임과 전자의 바깥쪽 움직임은 모두 표준각운동량을 증가시킨다”고 설명한 뒤 “중성입자는 하전입자와의 충돌 결과로 각운동량을 잃고 안쪽으로 이동해 하전입자 표준각운동량의 증가와 균형을 이룬다”고 결론지었다.
이들의 발견은 천체물리학 저널에 5월 17일 게재됐다.
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