The birth environment of planetary systems

📝 Abstract

Star and planet formation are inextricably linked. In the earliest phases of the collapse of a protostar a disc forms around the young star and such discs are observed for the first several million years of a star’s life. It is within these circumstellar, or protoplanetary, discs that the first stages of planet formation occur. Recent observations from ALMA suggest that planet formation may already be well under way after only 1 Myr of a star’s life. However, stars do not form in isolation; they form from the collapse and fragmentation of giant molecular clouds several parsecs in size. This results in young stars forming in groups - often referred to as ‘clusters’. In these star-forming regions the stellar density is much higher than the location of the Sun, and other stars in the Galactic disc that host exoplanets. As such, the environment where stars form has the potential to influence the planet formation process. In star-forming regions, protoplanetary discs can be truncated or destroyed by interactions with passing stars, as well as photoevaporation from the radiation fields of very massive stars. Once formed, the planets themselves can have their orbits altered by dynamical encounters - either directly from passing stars or through secondary effects such as the Kozai-Lidov mechanism. In this contribution, I review the different processes that can affect planet formation and stability in star-forming regions. I discuss each process in light of the typical range of stellar densities observed for star-forming regions. I finish by discussing these effects in the context of theories for the birth environment of the Solar System.

💡 Analysis

Star and planet formation are inextricably linked. In the earliest phases of the collapse of a protostar a disc forms around the young star and such discs are observed for the first several million years of a star’s life. It is within these circumstellar, or protoplanetary, discs that the first stages of planet formation occur. Recent observations from ALMA suggest that planet formation may already be well under way after only 1 Myr of a star’s life. However, stars do not form in isolation; they form from the collapse and fragmentation of giant molecular clouds several parsecs in size. This results in young stars forming in groups - often referred to as ‘clusters’. In these star-forming regions the stellar density is much higher than the location of the Sun, and other stars in the Galactic disc that host exoplanets. As such, the environment where stars form has the potential to influence the planet formation process. In star-forming regions, protoplanetary discs can be truncated or destroyed by interactions with passing stars, as well as photoevaporation from the radiation fields of very massive stars. Once formed, the planets themselves can have their orbits altered by dynamical encounters - either directly from passing stars or through secondary effects such as the Kozai-Lidov mechanism. In this contribution, I review the different processes that can affect planet formation and stability in star-forming regions. I discuss each process in light of the typical range of stellar densities observed for star-forming regions. I finish by discussing these effects in the context of theories for the birth environment of the Solar System.

📄 Content

별과 행성의 형성은 서로 떼려야 뗄 수 없는 관계에 있다. 원시항성(프로토스타)의 붕괴가 시작되는 가장 초기 단계에서, 젊은 별 주위에 원반이 형성되며, 이러한 원반은 별이 탄생한 뒤 처음 몇 백만 년 동안 관측된다. 바로 이 원시별 주위에 존재하는 원반, 즉 원시행성계 원반(프로토플래닛리 디스크) 안에서 행성 형성의 첫 단계가 진행된다. 최근 ALMA(아타카마 대형 전파망원경)에서 얻은 관측 결과에 따르면, 별이 탄생한 지 1 백만 년 정도만 지나도 이미 행성 형성이 활발히 진행되고 있을 가능성이 제시되고 있다.

하지만 별은 고립된 환경에서 형성되는 것이 아니다. 별은 수 파섹에 달하는 거대한 분자 구름이 붕괴하고 파편화되는 과정에서 탄생한다. 이 과정에서 여러 개의 젊은 별이 동시에 형성되며, 이러한 별들의 집합을 흔히 ‘성단(클러스터)’이라고 부른다. 성단이 형성되는 영역에서는 별들의 밀도가 태양이 현재 위치하고 있는 은하 원반의 평균 밀도보다 훨씬 높다. 즉, 우리 은하 원반에 존재하는 외계행성을 보유한 별들보다도 훨씬 조밀한 환경에서 별들이 탄생한다는 의미이다. 따라서 별이 형성되는 환경 자체가 행성 형성 과정에 중요한 영향을 미칠 수 있다.

성단과 같은 별이 많이 모여 있는 지역에서는, 원시행성계 원반이 지나가는 다른 별과의 중력 상호작용에 의해 잘리거나(트렁케이션) 완전히 파괴될 수 있다. 또한, 매우 무거운 별들이 방출하는 강력한 복사장에 의해 원반 물질이 광증발(포토에바포레이션)될 위험도 존재한다. 이러한 외부 요인들은 원반이 충분히 성장하고 행성의 씨앗이 되는 물질을 모으는 것을 방해한다.

한편, 일단 행성이 형성된 뒤에도 그 궤도는 주변 환경에 의해 크게 변형될 수 있다. 가장 직접적인 방법은 다른 별이 근접 통과하면서 발생하는 동역학적 조우이다. 이러한 조우는 행성의 궤도 이심률을 크게 증가시키거나, 심지어 행성을 별로부터 탈출시키는 경우도 있다. 또한, 직접적인 충돌이 없더라도 2차적인 효과, 예를 들어 코시-리드비히(Kozai‑Lidov) 메커니즘과 같은 장기적인 중력 교환 현상이 발생할 수 있다. 이 메커니즘은 외부 별이 행성계와 일정한 각도(경사)를 이루며 장기간에 걸쳐 작용할 때, 행성의 궤도 이심률과 경사각이 교대로 크게 변동하도록 만든다.

본 기고에서는 별이 형성되는 환경, 즉 별이 모여 있는 성단이나 별 형성 구역에서 행성 형성과 행성계의 안정성에 영향을 미칠 수 있는 다양한 물리적·천체역학적 과정을 검토한다. 먼저, 관측적으로 확인된 별 밀도의 전형적인 범위(예: 수백에서 수천 명/입방 파섹 수준)를 기준으로 각 과정이 얼마나 흔히 일어날 수 있는지를 논의한다. 그 다음으로는 원반의 트렁케이션, 광증발, 그리고 동역학적 조우와 코시‑리드비히 효과가 실제로 어떤 조건에서 지배적인 역할을 하는지를 구체적인 사례와 시뮬레이션 결과를 인용하면서 설명한다.

마지막으로 이러한 환경적 영향을 태양계의 탄생 환경에 대한 기존 이론들과 연결 지어 본다. 태양계가 비교적 낮은 별 밀도 환경에서 형성되었는지, 혹은 초기에는 더 조밀한 성단 내부에서 형성되었으나 이후 은하 원반으로 이주했는지에 대한 논쟁은 아직도 활발히 진행 중이다. 본 논의는 현재까지의 관측 증거와 이론적 모델을 종합하여, 태양계가 어떤 종류의 별 형성 구역에서 탄생했을 가능성이 높은지를 평가한다. 이를 통해 별 형성 환경이 행성계의 초기 구조와 장기적인 진화에 미치는 영향을 보다 명확히 이해하고, 향후 외계 행성 탐사와 별 형성 연구에 중요한 지침을 제공하고자 한다.