태양계 개념도 비율은 정확하지 않다.(출처: NASA)
점점 느려지는 내부 태양계의 공회전 속도. 이유를 찾았다!
내부 태양계는 현대 물리학 법칙이 예측하는 것보다 훨씬 느리게 회전하는 것으로 나타났는데, 그 이유는 미스터리였다. 하지만 새로운 연구가 그 이유를 설명하는 데 도움이 될 것으로 기대되고 있다.
강착원반으로 알려진 얇은 가스와 먼지원반이 어린 별 주위를 나선형으로 돌고 있다. 행성이 형성되는 이 원반에는 별을 만들고 남은 질량의 일부가 포함돼 있다. 각 운동량 보존 법칙에 따르면 피겨스케이팅 선수가 팔을 몸에 가까이 할 때 더 빨리 회전하도록 물질이 별을 향해 안쪽으로 천천히 나선형으로 회전하면서 떨어질 때 원반 내부 부분은 더 빨리 회전해야 한다.
그러나 이전 관측에서는 지구형 행성을 포함한 영역인 내부 태양계가 각운동량 보존 법칙에 따라 예측된 것만큼 빠르게 회전하지 않는 것으로 나타났다. 캘리포니아공대(Caltech) 과학자들은 가상 강착 원반의 새로운 시뮬레이션을 사용해 강착 원반의 입자가 상호작용하는 방식을 밝혀냈다.
“각 운동량은 속도 곱셈 반경에 비례하며, 각 운동량 보존 법칙에 따르면 시스템의 각 운동량은 일정하게 유지된다”고 칼텍 연구원들은 성명에서 밝혔다. 따라서 스케이터의 팔이 안쪽으로 당겨져 반경이 줄어들면 각 운동량을 일정하게 유지하는 유일한 방법은 회전 속도를 높이는 것뿐이다.”
그렇다면 내부 강착 원반의 운동량이 저장되지 않는 이유는 무엇일까. 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 베란은 각 운동량의 손실을 보다 잘 이해하기 위해 강착원반에서 개별 원자, 이온 및 가스의 궤적과 충돌 전후에 입자가 어떻게 행동하는지를 연구했다. 하전 입자(전자 및 이온)는 중력과 자기장의 영향을 받지만 중성 원자는 중력의 영향만 받는다.
연구원들은 컴퓨터 모델을 사용해 자기장 및 중력장에서 4만 개의 중성 입자와 충돌하는 1천 개의 하전 입자 강착 원반을 시뮬레이션했다. 이들은 중성원자와 훨씬 적은 수의 하전입자 사이의 상호작용에 의해 양전하를 띤 이온, 즉 양이온이 안쪽으로 나선으로 떨어지고 음전하를 띤 입자(전자)가 강착원반 가장자리를 향해 바깥쪽으로 이동한다는 것을 발견했다. 반면 중성입자는 각 운동량을 잃고 중심으로 안쪽으로 나온 운동을 한다.
강착 원반은 원반 중심 근처에 양극 단자가 있고 가장자리에는 음극 단자가 있는 거대한 배터리 역할을 하는데, 그 전극은 원반 양쪽에서 공간으로 발사되는 강력한 전류 또는 물질 제트를 생성한다.
컴퓨터 시뮬레이션은 각 운동량이 손실되는 동안 표준각 운동량(원래 일반각 운동량과 입자의 전하 및 자기장에 따라 다른 추가량의 합)이 저장되는 것을 제안한다.
연구진은 성명서에서 “전자는 음이고 양이온은 양이므로 충돌로 인한 이온의 안쪽 움직임과 전자 바깥쪽 움직임은 모두 표준각운동량을 증가시킨다”고 설명한 뒤 “중성입자는 하전입자와의 충돌 결과로 각운동량을 잃고 안쪽으로 이동해 하전입자 표준각운동량 증가와 균형을 이룬다”고 결론 내렸다.
그들의 발견은 5월 17일 ‘천체 물리학 저널’에 실렸다.
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