분자구름 조각 속의 기체와 먼지는 뭉치면서 자연스럽게 중심에 대해 회전한다. 전체 질량의 99.8%에 육박하는 대부분의 물질은 중심부에 집중되어 별을 만든다. 각운동량 보존 법칙을 따라 0.2% 정도의 일부 물질은 중심을 지나고 회전축에 수직인 면에 회전하는 원시행성 원반을 형성한다. 원시행성 원반 안에서도 물질의 밀도 요동은 중력에 의해 증폭된다. 회전하면서도 물질은 더 많은 곳으로 모여들기를 지속하여 처음에는 작은 덩어리들이 만들어진다. 작은 덩어리들이 서로 충돌하며 병합되어 크기가 10km에 달하는 큰 덩어리인 미행성이 된다. 미행성들의 충돌과 병합으로 거대한 덩어리 하나가 생기면 자신의 궤도 주변의 크고 작은 덩어리들을 모두 끌어 모아 최종적으로 행성과 행성을 공전하는 위성이 만들어진다.
행성들의 성분 차이는 형성된 위치와 연관되는데, 그 기준이 되는 거리가 동결선(frost line)이다. 물이 얼음 상태가 되기 시작하는 태양으로부터 거리에 있는 가상의 선을 동결선이라 하는데, 대략 화성과 목성 사이에 위치한다. 태양에서는 빛뿐만 아니라 큰 속도를 가진 입자(주로 양성자)의 흐름인 태양풍도 나온다. 태양풍은 기체나 작은 입자들과 충돌하여 이들을 바깥쪽으로 밀어내기 때문에 행성의 형성에도 영향을 끼친다. 동결선 안쪽에서는 어는점이 낮은 수소, 헬륨, 물, 암모니아, 메탄 등은 기체 상태가 되는데, 이들은 태양풍에 의해 서서히 동결선 밖으로 밀려난다. 결국 동결선 안쪽에는 어는점이 높은 암석과 금속만 남기 때문에 암석 행성이 형성된다. 동결선 밖에서는 밀려난 수소와 헬륨, 물과 암모니아 등이 거대행성을 만들게 된다. 암석과 금속을 이루는 무거운 원소들의 양은 많지 않으므로 동결선 안쪽에 형성되는 암석 행성은 동결선 바깥쪽에 형성되는 거대행성에 비해 크기가 작다.
외계행성은 크기에 따라 대부분 크게 두 가지로 나뉜다. 하나는 지름이 지구 정도 되거나 지구 지름의 1.5배 정도 되는 암석 행성으로 슈퍼 지구라고 부른다. 또 하나는 지름이 지구의 2~3배 사이 정도이고, 천왕성과 해왕성보다는 살짝 작은 가스 행성으로 미니 천왕성이라고 부른다. 겉은 두꺼운 가스 대기로 덮여 있지만 중심에는 단단한 암석 핵이 있을 거라고 추정한다. 슈퍼 지구와 미니 천왕성의 중간인 지구 지름의 1.5~2배 정도 크기 외계행성은 10배 가까이 적다. 이러한 슈퍼 지구와 미니 천왕성 사이 공백을 ‘외계행성 지름 간극’이라고 부른다. 태양계에는 슈퍼 지구 행성도, 미니 천왕성급 행성도 없고 작은 암석 행성과 거대한 가스 행성만 존재한다.
기존 행성 형성모델에서는 항성에 가장 가까운 행성들은 암석 형의 행성이다. 항성의 복사열이 가스대기를 날려 보내 밀도가 높은 고체 핵만 남기기 때문이다. 가스 형의 행성들은 항성과 멀어서 가스가 축적될 수 있을 정도로 충분히 차가운 지역에서 형성된다. 태양계에서는 수성부터 화성까지 내행성은 암석 형의 행성이고 목성부터 해왕성까지 외행성이 가스 형의 행성이다. 항성을 중심으로 형성된 행성 계들은 이렇게 암석 형과 가스 형의 행성 패턴을 갖고 있으며, 이는 은하계 전역에서 일관되게 관측되고 있다.
기존 행성 형성 이론을 뒤집는 항성계(적색왜성 LHS 1903)가 발견되어 2026년「사이언스」에 발표되었다. 가스 형의 행성이 안쪽에 암석 형의 행성이 바깥에 있다. 이 암석 형의 행성은 가스대기를 잃었거나 아예 형성하지 못한 것으로 추정된다. 이들 행성이 예상과 달리 동시에 형성된 것이 아니라 안쪽에서 바깥쪽으로 차례차례 생성됐다는 증거를 발견했다. 안쪽 행성부터 바깥쪽 행성 순으로 네 개의 행성을 연속적으로 탄생시켰다. 각 행성은 차례로 진화하며 주변 먼지와 가스를 모았고, 바깥쪽으로 갈수록 행성 형성에 필수적인 가스가 이미 고갈됐을 가능성이 크다. 사실이라면 가스가 고갈된 환경에서 형성된 행성의 첫 증거로 보인다. 특이한 예외적 사례일 수도 있고, 행성 계 진화 방식에 대한 새로운 패턴을 보여주는 첫 사례일 수도 있다. 우주는 무한하거나 유한하더라도 기하학적으로 무한일 것이다. 뭐든지 가능하다.
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl2348