사상 최초로 촬영된 외계행성

본 뉴스는 2008년 11월 13일 허블 사이트에서 발표한 뉴스입니다.

외계행성을 가시광선으로 촬영했다는 것은 정말 말로 표현할 수 없을 정도로 멋진 뉴스가 아닐 수 없습니다.

따라서 비록 시간은 많이 지났지만, 늦게나마 여기에 개재합니다.

 

블로그 쥔장추가 주석(2020년 4월 20일)

가시광선 영역에서 사싱 최초로 촬영된 외계행성으로 여겨졌던 포말하우트 b는 최종적으로 외계행성이 아닌 것으로 판명되었습니다.

세부 내용은 2020년 허블사이트에서 발표한 뉴스를 참고하세요. 

 

 

 

그림 1> 이 그림은 자신의 별 포말하우트 주위를 공전하고 있는 행성 포말하우트 b에 대한 상상도이다.

 포말하우트 b 주변으로 갈색과 금색 톤으로 표현된 구조가 보이는데,  이 구조는 우리 토성의 고리와 같은 구조물로 천문학자들은 이 행성 주변도 고리에 감싸여 있을 것으로 추측하고 있다.

포말하우트 별 역시 고리로 둘러싸여 있는데, 이 고리는 2억살의 별 포말하우트를 관통하며 그려져 있다.

포말하우트 b는 이 고리의 안쪽으로 28억 8천 킬로미터 거리에 위치하고 있다.

이 행성이 자신의 별 포말하우트 주위를 한 바퀴 도는데 걸리는 시간은 872년이다.

 

 

사진 1> 포말하우트 계의 코로나그래프 사진

우측 하단 네모 박스 안에  2004년과 2006년 촬영에서 위치 변화를 보인 행성이 나타나 있다.

그 이동 위치가 굴곡을 가지고 있어, 그 연장선은 포말하우트 별을 감싸게 된다. 

즉, 이 천체는 별 주위를 공전하는 행성이 되는 것이다. 

 

 

허블우주망원경이 사상 최초로 다른 별 주위를 공전하고 있는 외계 행성의 가시광 촬영에 성공했다.

 

목성 질량의 3배를 초과하지않는 것으로 예측된 이 행성의 명칭은 포말하우트 b(Fomalhaut b) 이며 남반구 물고기 자리 방향으로 25광년 떨어져있는 포말하우트(Fomalhaut) 라는 별을 공전하고 있다. 

 

포말하우트 별은 1980년대 초반 나사의 적외선 천체관측위성인 IRAS(Infrared Astronomy Satellite)에 의해 별 주변의 많은 먼지들이 관측된 이래

행성의 발견이 가능한 지역으로 손꼽혀 왔던 별이다.

 

 

사진 2> 포말하우트의 위치

 

2004년, 허블 ACS의 고분해능 코로나그래프를 이용한 관측결과 포말하우트 주위를 둘러싸고 있는 거대한 먼지 밸트의 가시광 사진을 촬영할 수 있었다.

 

이 사진을 통해  별 주변을 둘러싼 먼지 밸트 구조가 사실은 지름 344억 킬로미터에 달하며, 안쪽 모서리가 예리하게 깎여있는, 행성 형성 이전 단계의 파편들로 구성된 고리라는 사실을 알 수 있었다.

이 거대한 고리는, 우리 태양계를 둘러싸고 있으면서 명왕성과 같은 왜소 행성 크기의 먼지덩어리나 얼음덩어리를 가지고 있는 카이퍼 벨트와 매우 유사한 고리이다.

 

이번 연구를 주도한 캘리포니아 주립대학의 허블 천문학자인 폴 칼라스(Paul Kalas)와 연구원들은 2005년에, 이 고리가 고리 안쪽과 포말하우트 별 사이에 있을 것으로 보이는 행성의 중력조석작용으로 변형되어왔다는 가설을 제안했다.

이에 대한 정황증거는 이 고리가 중앙의 별로부터 떨어져나와 생성되었다는 허블의 관측결과로부터 나왔다.

 

또한 이 고리의  안쪽 모서리가 예리하게 깎여져 있다는 사실은 이 고리에 중력을 행사하는 행성이 있을 것이라는 예측과도 합치했다.

이러한 관측에 대해 별도로 수행된 다른 연구에서도 일관되게 유사한 결론을 도출하였다.   

 

그리고 지금 허블 우주망원경이 이 고리의 안쪽으로 28억 8천 킬로비터 떨어진 곳에서 빛을 뿌리고 있는 작은 점을 촬영하게 된 것이다.

이러한 결과는 2008년 11월 13일 'Science magazine'에 발표되었다.

 

이번 성과를 이끈 칼라스의 소감은 다음과 같다.
"우리의 허블 관측은 엄청난 수고를 요하는 일이었습니다.
포말하우트 b는 자신의 별인 포말하우트보다 10억배나 희미한 행성입니다.
우리가 이번 연구에 착수했을 때는 2001년이었습니다. 결국 우리의 꾸준한 연구가 보상을 받은 것이라고 생각합니다."

또한 이번 연구팀의 일원인 나사 고다드 우주항공센터의 마크 클렘핀의 소감은 다음과 같다.
"포말하우트의 사례는 우리에게 영원한 선물이 될 것입니다.

포말하우트 계에서 먼지고리를 발견한 이후에 먼지고리의 형태 분석을 통해 제안된 그 위치에서 우리가 외계 행성을 발견하게 된 것이죠

'먼지를 따라가라'는 것은 모든 외계행성 탐험가들에게는 하나의 금언이 될 것 같네요."
 

허블 ACS 코로나그래프로 촬영한 21개월 간격의 사진은 이 행성이 자신의 별 주의를 움직이고 있다는 사실을 알려주었고, 당연히 그 움직임은 중력의 영향으로 휘어져 있음을 보여주고 있다.

이 행성은 자신의 별로부터 171억 2천킬로미터 거리에 위치하는데 이 거리는 우리 태양계에서 태양과 토성까지의 거리의 대략 10배에 해당하는 거리이다.

 

또한 이 행성은 먼지고리의 형태에 입각해봤을 때, 그 질량 상한선을 예측할 수 있다.

만약 이 행성의 질량이 예측된 상한선보다 더 크다면 고리의 구조가 충분히 관측가능할만큼 뒤틀려있었을 것이다.

 

이에 대한 칼라스의 의견은 다음과 같다.
"행성의 질량에 대한 4개월에 걸친 연구결과 이 행성의 질량은 목성 질량의 3배를 초과하지 않을 것이라는 이론적인 예측이 나왔습니다.
만약에 질량이 이 상한선을 초과한다면, 그 중력에 의해 별을 감싸고 있는 먼지 고리의 형태 자체가 다르게 나타났을 것입니다."

 

여러 컴퓨터를 활용한 시뮬레이션 결과는 이 먼지고리가 아직은 발견되지 않은 하나 또는 그 이상의 행성의 중력에 의해 형태의 변화가 진행될 것임을 보여주고 있다.

 

포말하우트 고리의 안쪽 모서리가 예리하게 깎여있는 것은 행성이 행사하는 중력의 영향을 받은 것으로 예상할 수 있다.

우리 태양계의 카이퍼 벨트 역시 해왕성이 행사하는 중력의 영향으로 유사한 형태를 띠고 있다.

 

이 행성의 밝기는 목성의 3배 질량을 가진 행성에서 예측되는 밝기보다 더 밝게 나타나고 있다.

이에 대한 하나의 가능성은 이 행성이 토성과 같이 얼음과 먼지로 구성된 고리를 가지고 있어서 이 고리로부터 별빛이 반사되고 있을 가능성이다.

만약 고리가 있다면 이 고리는 궁극적으로는 합체를 거듭하여 위성이 될 것이다.

이 고리의 크기는 현재 거대한 4개의 위성이 공전하고 있는 목성주변 궤도의 크기와 비교할 수 있을 것이다.

 

포말하우트계의 연령은 고작 2억년에 지나지 않기 때문에 이 행성에서는 틀림없이 적외선영역에서 밝은 빛을 내고 있을 것이다.

왜냐하면 아직은 중력수축 단계에서 여전히 낮은 온도에 머물러 있을 것이기 때문이다.

 

그러나 아직은 지상에 위치한 천문대에서의 적외선 관측으로는 이 행성을 탐지해내지 못한 상태이다.

이러한 사실 또한 이 행성의 질량 상한선의 이유가 되는데, 만약 이 행성의 질량이 더 크다면 이 행성은 현재보다 더 뜨겁고 더 밝게 빛나고 있을 것이기 때문이다.

칼라스와 그의 연구팀이 허블 망원경을 이용하여 포말하우트를 촬영한 것은 2004년의 일이었고, 포말하우트의 별빛에 밝게 빛나고 있는 잔해원반에서 결국 예상치 못한 발견을 이룰 수 있었다.

당시 연구팀은 사진에서 행성의 후보가 될만한 몇 개의 밝은 점들을 추출해냈다.

그리고 2006년에 이어서 촬영된 사진에서 하나의 점이 움직인 상태인것을 발견했는데 그 움직인 지점이 2004년의 지점에서 원형으로 굴곡진 형태임을 발견할 수 있었던 것이다.

 

두 개의 사진에서 나타난 위치이동을 캐플러의 행성운동 법칙을 활용하여 계산한 결과 공전궤도의 일주에는 872년이 걸리는 것으로 계산되었다.

포말하우트는 매년마다 0.425 각초만큼 움직이고 있는데, 이는 동전 하나를 8킬로미터 떨어진 곳에서 봤을 때, 그 너비에 해당하는 각도이다.

2004년에 비해 2006년에 관측한 이 행성은 신기하게도 광도가 반정도 흐려졌다.

이러한 현상은 아마도 우리 목성이 그렇듯이 가열된 대기의 순환때문일 가능성이 있고 또 다른 가능성을 들자면 이 행성을 둘러싸고 있는 고리 안쪽의 뜨거운 가스때문일 가능성도 있다.

이 행성은 별을 형성시키고 남은 가스들이 중력작용에 의해 휩쓸리면서 생성된 별 주위를 감싸돌고 있는 원시티끌원반으로부터 형성되었거나, 또는 자신보다는 다소 작은 체구의 행성과의 상호중력작용속에서 운동량의 변화로 인해 바깥쪽으로 밀려나온 것일 수도 있다.

천왕성과 해왕성 역시 행성 자체는 지금보다 태양에 훨씬 가까운 위치에서 형성되었으나 자신보다 작은 덩치의 행성들과의 중력 상호작용 와중에 현재의 공전궤도로 밀려나온 것으로 추측되고 있다. 

 

 

그림 2> 포말하우트계와 우리 태양계의 상대적인 크기 비교

 

포말하우트 별은 우리 태양보다 훨씬 뜨겁고 16배의 광도를 가지고 있다.

이러한 사실이 의미하는 바는 이곳 포말하우트계가 가지고 있는 우리의 카이퍼 밸트에 해당하는 천체와 여타 행성들의 공전궤도가 우리 태양계보다는 훨씬 큰 규모를 가지고 있을 것이라는 점이다.

우리 태양계에서 동결 한계선 - 얼음이나 여타 휘발성 원소가 증발되지 않을만한 거리 한계선 - 은 태양으로부터 대략 8억킬로 거리이다.

그러나 훨씬 뜨거운 온도를 지닌 포말하우트라면 동결 한계선은 포말하우트로부터 30억 4천 킬로미터 정도일 것이다.

 

포말하우트 별은 맹렬한 기세로 수소연료를 연소시키고 있기 때문에 우리 태양의 수명의 1/10정도에 해당하는 10억년만에 모든 연료가 고갈될 것이다.

이러한 사실이 의미하는 바는 포말하우트계에서 고등생명체가 거주하고 진화할만한 가능성이 매우 희박하다는 것이다.

 

포말하우트계에 대해서는 적외선을 사용한 행성 탐색노력과 그 대기에 수증기 구름이 존재하는지의 연구가 앞으로도 계속 진행될 것이다.

이러한 연구를 통해 비교적 최근에 탄생된 1억살 정도 연령의 행성 진화양상에 대한 단서를 얻을 수 있을 것이다.

행성의 공전궤도에 대한 천문학적 측정치는 그 행성의 정확한 질량을 도출하는데 충분한 정보를 제공해준다.

2013년 발사 예정인 나사의 제임스 웹 우주망원경은 포말하우트 별을 근적외선 및 적외선 영역에서 관측하게 될 것이다.
이 망원경을 통해 이곳에서 또 다른 행성이나 우리 태양계의 소행성밸트와 같이 안쪽으로 형성되어 있는 파편고리구조가 존재하는지를 탐색하게 될 것이다.

 

 

 

 

 

* '허블사이트'의 게시물들은  허블사이트 http://hubblesite.org 의 뉴스센터 자료들을 번역한 자료들입니다.
   본 내용은 2008년 11월 13일 발표된 뉴스입니다.

 

 

원문>

Hubble Directly Observes Planet Orbiting Fomalhaut

 

NASA's Hubble Space Telescope has taken the first visible-light snapshot of a planet circling another star.

Estimated to be no more than three times Jupiter's mass, the planet, called Fomalhaut b, orbits the bright southern star Fomalhaut, located 25 light-years away in the constellation Piscis Australis (the Southern Fish).

Fomalhaut has been a candidate for planet hunting ever since an excess of dust was discovered around the star in the early 1980s by NASA's Infrared Astronomy Satellite (IRAS).

In 2004, the coronagraph in the High Resolution Camera on Hubble's Advanced Camera for Surveys produced the first-ever resolved visible-light image of a large dust belt surrounding Fomalhaut. It clearly showed that this structure is in fact a ring of protoplanetary debris approximately 21.5 billion miles across with a sharp inner edge.

This large debris disk is similar to the Kuiper Belt, which encircles the solar system and contains a range of icy bodies from dust grains to objects the size of dwarf planets, such as Pluto.

Hubble astronomer Paul Kalas, of the University of California at Berkeley, and team members proposed in 2005 that the ring was being gravitationally modified by a planet lying between the star and the ring's inner edge.

Circumstantial evidence came from Hubble's confirmation that the ring is offset from the center of the star. The sharp inner edge of the ring is also consistent with the presence of a planet that gravitationally "shepherds" ring particles. Independent researchers have subsequently reached similar conclusions.

Now, Hubble has actually photographed a point source of light lying 1.8 billion miles inside the ring's inner edge. The results are being reported in the November 13 issue of Science magazine.

"Our Hubble observations were incredibly demanding. Fomalhaut b is 1 billion times fainter than the star. We began this program in 2001, and our persistence finally paid off," Kalas says.

"Fomalhaut is the gift that keeps on giving. Following the unexpected discovery of its dust ring, we have now found an exoplanet at a location suggested by analysis of the dust ring's shape. The lesson for exoplanet hunters is 'follow the dust,'" says team member Mark Clampin of NASA's Goddard Space Flight Center.

Observations taken 21 months apart by Hubble's Advanced Camera for Surveys' coronagraph show that the object is moving along a path around the star and therefore is gravitationally bound to it. The planet is 10.7 billion miles from the star, or about 10 times the distance of the planet Saturn from the sun.

The planet's upper-mass limit is constrained by the appearance of the Fomalhaut ring. If the planet were much more massive, it would distort the ring, and the effect would be observable in the ring's structure.

"It took the science team four months of analysis and theoretical modeling to determine that Fomalhaut b could not be more massive than three times the mass of Jupiter. Any more massive than that and its gravity would destroy the vast dust belt encircling the star," Kalas says.

Numerous computer simulations show that circumstellar disks will be gravitationally modified by the tug of one or more unseen planets. The Fomalhaut ring has a sharp inner edge that is likely shaped by the gravitational influence of a planet. The inner edge of our solar system's Kuiper Belt is similarly shaped by the gravitational influence of Neptune.

The planet is brighter than expected for an object of three Jupiter masses. one possibility is that it has a huge Saturn-like ring of ice and dust reflecting starlight. The ring might eventually coalesce to form moons. The ring's estimated size is comparable to the region around Jupiter that is filled with the orbits of the four largest satellites.

Because the Fomalhaut system is only 200 million years old, the planet should be a bright infrared object. That's because it is still cooling through gravitational contraction. However, ground-based telescopic observations at infrared wavelengths have not yet detected the planet. This also sets an upper limit on its mass, because the bigger the planet, the hotter and brighter it would be.

Kalas and his team first used Hubble to photograph Fomalhaut in 2004, and made the unexpected discovery of its debris disk, which scatters Fomalhaut's starlight. At the time they noted a few bright sources in the image as planet candidates. A follow-up image in 2006 showed that one of the objects is moving through space with Fomalhaut but changed position relative to the ring since the 2004 exposure. The amount of displacement between the two exposures corresponds to an 872-year-long orbit as calculated from Kepler's laws of planetary motion.

Fomalhaut moves across the sky at 0.425 arcseconds per year, which is the apparent width of a penny seen from five miles away.

The planet mysteriously dimmed by half a stellar magnitude between the 2004 and 2006 observations. This might mean that it has a hot outer atmosphere heated by bubbling convection cells on the young planet — sort of a Jupiter on steroids. Or, it might come from hot gas at the inner boundary of a ring around the planet.

The planet may have formed at its location in a primordial circumstellar disk by gravitationally sweeping up remaining gas. Or, it may have migrated outward through a game of gravitational billiards where it exchanged momentum with smaller planetary bodies. It is commonly believed that the planets Uranus and Neptune migrated out to their present orbits after forming closer to the sun and then gravitationally interacted with smaller bodies.

Fomalhaut is much hotter than our sun and is 16 times as bright. This means a planetary system could scale up in size with a proportionally larger Kuiper Belt feature and scaled-up planet orbits. For example, the "frost line" in our solar system — the distance where ices and other volatile elements will not evaporate — is roughly at 500 million miles from the sun. But for hotter Fomalhaut, the frost line is at roughly 1.9 billion miles from the star.

Fomalhaut is burning hydrogen at such a furious rate through nuclear fusion that it will burn out in only 1 billion years, which is 1/10th the lifespan of our sun. This means there is little opportunity for advanced life to evolve on any habitable worlds the star might possess.

Future observations will attempt to see the planet in infrared light and will look for evidence of water vapor clouds in the atmosphere. This would yield clues to the evolution of a comparatively newborn 100-million-year-old planet. Astrometric measurements of the planet's orbit will provide enough precision to yield an accurate mass.

NASA's James Webb Space Telescope, scheduled to launch in 2013, will be able to make coronagraphic observations of Fomalhaut in the near- and mid-infrared. JWST will be able to hunt for other planets in the system and probe the region interior to the dust ring for structures such as an inner asteroid belt.

The science team members are: P. Kalas, J. Graham, E. Chiang, and E. Kite (University of California, Berkeley), M. Clampin (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md.), M. Fitzgerald (Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, Calif.), and K. Stapelfeldt and J. Krist (NASA Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif.).

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