포말하우트 b 의 공전궤도를 밝혀내다.

 

 

사진 1> 허블우주망원경이 촬영한 사진에 인위적인 색체를 입힌 이 사진에는 포말하우트 별을 공전하고 있는 행성 포말하우트 b 행성의 움직임이 담겨있다.

이번 관측을 통해서 천문학자들은 이 행성이 무려 2천년에 달하는 주기를 가진, 매우 일그러진 타원형의 공전궤도를 가지고 있음을 계산해냈다.

이 행성은 지금부터 약 20년 정도가 지나면 이 별을 둘러싸고 있는 광활한 먼지 벨트를 가로지르는 모습을 보여주게 된다.

이때, 만약 이 행성의 공전궤도가 먼지 벨트와 같은 평면에 위치하고 있다면 얼음과 암석 파편들이 이 행성의 대기에 충돌하게 될 것이고 이로부터 다양한 현상들이 관측될 것이다.

사진 중심에 있는 검은색 원은 주변의 먼지 벨트와 행성의 반사빛을 더욱더 선명하게 촬영하기 위해 포말하우트 별을 막은 것이다.

허블 우주 망원경이 영상분광기로 이 사진을 촬영한 것은 2010년과 2012년 이다.

 

The full news release story>

허블 우주망원경이 새로 발표한 우리 가까이에 위치하는 별 포말하우트를 둘러싸고 있는 광대한 파편 원반과, 포말하우트를 공전하고 있는 미지의 행성에 대한 사진을 보면, 이 행성계에서 거대 행성의 붕괴에 대한 과학적 증거가 제공될지도 모른다.

 

천문학자들은 포말하우트를 둘러싸고 있는 파편 벨트가 이전에 알려진 것보다 훨씬 광대한 규모로 펼쳐져 있다는데 놀라움을 금치 못하고 있다.
이 파편 원반은 포말하우트로부터 224억 킬로미터 거리에서부터 320억 킬로미터 거리에까지 퍼져 있다.

 

더더욱 놀라운 것은 이번에 발표된 허블의 사진을 통해 이 별을 공전하는 행성의 공전 궤도가 괴상할 정도로 찌그러져 있음을 계산해 냈다는 데에 있다.
이 정도 공전궤도라면 이 행성은 광활한 파편 고리를 통과하게 되면서 파괴될 가능성을 가지고 있는 것이 된다.

 

'포말하우트 b'라는 이름을 가진 이 행성은 공전하는 동안 자신의 별 포말하우트에 가장 가까울 때는 73억 6천 킬로미터까지 접근을 하게 되고
가장 멀리 떨어져 있을 때는 432억 킬로미터까지 멀어지게 된다.

 

이러한 공전 궤도의 재계산은 2012년 취득된 가장 최신의 허블 관측 자료로부터 재 계산된 것이다.

 

 

사진 2> 이 도식은 허블우주망원경의 관측 자료를 근거로 계산된 포말하우트 b 행성의 공전궤도를 그려낸 것이다.

매우 큰 곡률을 가지는 이 행성의 공전궤도로 인해서 포말하우트 b 는 포말하우트 별을 휘감고 있는 광활한 먼지 벨트를 가로지르고 있다.

이 행성은 자신의 별에 가장 가까울 때는 73억 6천 킬로미터까지 접근을 하게 되고 가장 멀리 떨어져 있을 때는 432억 킬로미터까지 멀어지게 된다.
그 공전주기는 무려 2천년에 육박하고 있다.

 

캘리포니아 마운틴 뷰 세티연구소의 연구원이자 버클리 대학의 폴 칼라스(Paul Kalas)는 처음 이 행성의 공전궤도를 계산한 당시를 이렇게 회상하고 있다.

"우리는 모두 포말하우트 b 가 우리의 예상보다 세 배나 더 가까이 자신의 별에 접근했고, 지금은 빠르게 멀어지고 있다는 사실을 보고서는 모두 충격을 받았답니다."

 

칼라스가 이끄는 포말하우트 팀은  아마도 포말하우트 b가 이처럼 기이한 공전궤도를 돌게 된 원인으로 이 행성계 어딘가에 또 다른 행성과 같은 천체가 있고 이로부터 중력영향을 받아 포말하우트 b의  공전궤도가 변경된 것일 가능성을 추측하고 있다.

칼라스와 연구팀은 이번 발견을 2013년 1월 8일 캘리포니아 롱비치에서 열린 221차 전미 천문학회에서 발표하였다.

 

무려 2000년 길이에 달하는 포말하우트의 공전 궤도를 설명하는 여러 시나리오 중에는 아직 발견되지 않은 행성이 존재하며 이 행성이 포말하우트 b가 포말하우트에 가장 가까이 근접한 위치에 도달했을 때 중력영향을 행사하여 이를 멀리 쏘아버린 결과 파편 벨트 너머에까지 이 행성의 공전궤도가 확장되도록 만들었다는 가설이 있다.
 

이번 연구에 함께 참여한 NSAS 고다드 우주비행 센터의 마크 클렘핀(Mark Clampin)은 이를 다음과 같이 설명하고 있다.
"뜨거운 목성, 즉 소규모의 가스 행성을 여러 천체들이 흩뿌려져 있는 곳으로 던져봅시다. 이 때 어떤 행성은 그 안으로 파뭍여 들어가겠지만 어떤 것들은 멀리 던져질 것입니다. 

포말하우트 b는 아마도 멀리 내쳐진 행성인 것 같습니다."

 

또한 허블 우주망원경은 포말하우트를 둘러싸고 있는 먼지와 얼음 벨트를 얇게 가로지르며 선명하게 드러나 있는 간극도 확인하였다.

 

이것은 아직 탐지되지 않은 또 다른 행성에 의해서 발생한 것이 틀림없다고 학자들은 입을 모으고 있다.
칼라스는 "먼지 벨트의 특이 상태를 매우 정교하게 보여주는 허블의 능력은 이 행성계에서 또 다른 행성을 찾아 내기 위한 강력한 동기를 제공해 주고 있습니다."라고 말했다.

 

포말하우트 별 주변의 먼지벨트와 포말하우트 b 행성이 가지는 공전궤도의 특성에서 도출되는 의미에 대한 칼라스의 설명은 다음과 같다.

"만약 포말하우트 b 행성의 공전 궤도가 파편 벨트와 같은 평면상에 존재한다면 포말하우트 b는 약 2032년 경에 이 파편 벨트를 통과하게 됩니다.
그리고 이 얼음과 암석 파편이 가득찬 지역을 지나는 동안 파편들이 이 행성의 대기에 충돌하면서 예전, 목성에 슈메이커-레비 9 혜성이 충돌할 때 볼 수 있었던 것과 같은 우주의 불꽃놀이가 발생하게 될 것입니다.

그러나 만약 포말하우트 b 의 공전 궤도면이 이 먼지 벨트와 동일하지 않다면 우리는 일체 그러한 장면을 목격하지 못하게 되고, 이 행성이 자신의 별 포말하우트로부터 멀어져갈수록 점점 희미해져가는 행성의 모습을 보게 될 것이다."

 

칼라스는 포말하우트 b 행성의 매우 극단적으로 일그러진 공전 궤도가 왜 이 행성이 가시광선에서는 이처럼 밝게 보이면서도 적외선에서도 매우 어둡게 보이는지를 설명해주는 주요 단서가 될 것이라고 예측했다.

아마도 이 행성의 질량은 플루토에서 목성 사이에 해당될 것이지만 가시광선에서 매우 밝게 빛나는 현상은 이 행성을 둘러싸고 있는 먼지나 고리에 포말하우트의 별빛이 반사되면서 만들어지는 현상일 가능성이 있다는 것이다.

 

 

 

이 행성을 둘러싼 먼지는, 먼지 벨트로부터 한참 떨어진 상태에서 천년 여를 보내는 동안 완전히 얼어붙은 포말하우트 b 행성의 위성이, 포말하우트 b가 이 행성계에 들어오게 되면서 수많은 충돌과 중력작용에 의해 극단적인 침식을 겪은 이 위성에 의해 빠르게 만들어진 것으로 보인다.

 

이 현상에 대한 칼라스의 설명은 다음과 같다.

"이와 유사한 현상은 토성에서도 찾아볼 수 있습니다.

토성에는 매우 얇지만  대단히 큰 규모의 고리가 존재하는데 이것은 유성들이 토성이 바깥쪽 궤도를 돌고 있는 위성인 포이베에 부딪히면서 만들어지는 것이랍니다."

 

연구팀이 가정하고 있는 또다른 시나리오는 포말하우트 b 행성이 어떤 왜소행성과 파국적인 충돌을 겪고 있다는 가설이다.

칼라스의 설명이 이어진다.
"충돌 시나리오는 왜 포말하우트 별이 먼지 벨트 외곽에 얇은 먼지 고리와 극단적으로 거대한 행성을 가지고 있는지를 설명해주는 시나리오입니다.
그러나 이 가정은 이 먼지 벨트의 연령대가 1만년도 안될 정도로 너무 어리다는 문제점이 있습니다.
이와 같은 어린 행성계에서는 이처럼 혈기왕성한 충돌을 만들어내기는 좀 어려운 측면이 있죠."

 

허블 우주망원경의 관측 자료를 근거로 이전에 발표된 두 개의 논문은 포말하우트 b 라는 행성의 존재를 확증해주었다.

 

포말하우트 계에 대한 칼라스의 평가는 다음과 같다.

"포말하우트 계는 매우 특별한 행성계라 할 수 있습니다. 이 행성계는 마치 40억년 전 우리 태양계의 모습을 그대로 찍어낸 것이라고 할 수 있죠.
행성의 구조가 계속 수정되고, 혜성 벨트가 진화하면서 아마도 행성들은 위성을 잃기도 하고, 얻기도 하겠죠." 

 

아마도 포말하우트 b 가 우리 태양계의 가장자리를 구성하고 있는 카이퍼 벨트와 같은, 얼음 파편이 가득한 먼지 벨트로 진입하는 것을 목격할 기회가 있을 것이기 때문에 천문학자들은 향후 수십년동안 포말하우트 b에 대한 관측을 계속 진행할 것이다.

 

 

                                        

이 동영상은 2004년부터 2012년까지 허블 우주망원경이 촬영한 포말하우트 b 행성의 움직임을 보여주고 있다.

천문학자들은 이 행성이 약 2032년 경 포말하우트 별을 둘러싸고 있는 먼지 원반을 지나치게 될 것으로 예측하고 있다.

 

 

* '허블사이트'폴더에는 허블공식사이트(http://hubblesite.org) 의 뉴스센터 자료를 번역,게시하고 있습니다.
   본 내용은 2013년 1월 8일 발표된 뉴스입니다.

 

참고 1>  포말하우트에서 가시광선으로는 최초로 포착된 행성에 관한 이전 기사는 아래 뉴스를 참고하세요. 
              사상 최초로 촬영된 외계행성 (2008년 11월 13일 발표뉴스)

 

참고 2> 포말하우트 b는 행성이 아닌 것으로 최종 확인되었습니다. 2020년 4월 20일에 발표된 아래 뉴스를 참고하세요. 
             포말하우트 b(Fomalhaut b)의 정체 : 미행성체 간의 충돌 흔적일까?

 

원문>

 

사진 1>

ABOUT THIS IMAGE:

This false-color composite image, taken with the Hubble Space Telescope, reveals the orbital motion of the planet Fomalhaut b. Based on these observations, astronomers calculated that the planet is in a 2,000-year-long, highly elliptical orbit. The planet will appear to cross a vast belt of debris around the star roughly 20 years from now. If the planet's orbit lies in the same plane with the belt, icy and rocky debris in the belt could crash into the planet's atmosphere and produce various phenomena. The black circle at the center of the image blocks out the light from the bright star, allowing reflected light from the belt and planet to be photographed. The Hubble images were taken with the Space Telescope Imaging Spectrograph in 2010 and 2012.

Object Name: Fomalhaut

Image Type: Astronomical/Annotated

 

사진 2>

ABOUT THIS IMAGE:

This diagram shows the orbit of the exoplanet Fomalhaut b as calculated from recent Hubble Space Telescope observations. The planet follows a highly elliptical orbit that carries it across a wide belt of debris encircling the bright star Fomalhaut. The planet swings as close to its star as 4.6 billion miles, and the outermost point of its orbit is 27 billion miles away from the star. The orbital period is approximately 2,000 years.

Image Type: Illustration

 

Illustration Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

Science Credit: NASA, ESA, and P. Kalas (University of California, Berkeley)

 

The full news release story>

Newly released Hubble Space Telescope images of a vast debris disk encircling the nearby star Fomalhaut, and of a mysterious planet circling it, may provide forensic evidence of a titanic planetary disruption in the system.

Astronomers are surprised to find that the debris belt is wider than previously known, spanning a gulf of space from 14 billion miles to nearly 20 billion miles from the star. Even more surprisingly, the latest Hubble images have allowed a team of astronomers to calculate that the planet follows an unusual elliptical orbit that carries it on a potentially destructive path through the vast dust ring.

The planet, called Fomalhaut b, swings as close to its star as 4.6 billion miles, and the outermost point of its orbit is 27 billion miles away from the star. The orbit was re-calculated from the newest Hubble observation made in 2012. "We are shocked — Fomalhaut b probably passed three times closer to the star than we previously thought, and now it is zipping outward," said Paul Kalas of the University of California at Berkeley and the SETI Institute in Mountain View, Calif.

The Fomalhaut team led by Kalas considers this circumstantial evidence that there may be other planet-like bodies in the system that gravitationally disturbed Fomalhaut b to place it in such a highly eccentric orbit.

His team is presenting their finding on January 8 at the 221st meeting of the American Astronomical Society in Long Beach, Calif.

Among several scenarios to explain Fomalhaut b's 2,000-year-long orbit is the hypothesis that an as yet undiscovered planet gravitationally ejected Fomalhaut b from a position closer to the star, and sent it flying into an orbit that extends beyond the dust belt. "Hot Jupiters get tossed through scattering events, where one planet goes in and one gets thrown out. This could be the planet that gets thrown out," according to co-investigator Mark Clampin of NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Md.

Hubble also found that the dust and ice belt encircling Fomalhaut (the star) has an apparent gap slicing across the belt. This might have been carved out by another undetected planet, researchers said. "Hubble's exquisite view of the dust belt shows irregularities that strongly motivate a search for other planets in the system," Kalas said.

"If its orbit lies in the same plane with the dust belt, then Fomalhaut b will intersect the belt around 2032 on the outbound leg of its orbit. During the crossing, icy and rocky debris in the belt could crash into the planet's atmosphere and create the type of cosmic fireworks seen when comet Shoemaker-Levy 9 crashed into Jupiter," Kalas said. "But if Fomalhaut b is not co-planar with the belt, we may not see anything at all except for a gradual dimming of Fomalhaut b as it travels farther and farther from the star," he explained.

Kalas hypothesized that Fomalhaut b's extreme orbit is a major clue in explaining why the planet is unusually bright in visible light but very dim in infrared light. The planet could be between the mass of Pluto and Jupiter, but the optical brightness possibly originates from a ring or shroud of dust around the planet, reflecting starlight. The dust is rapidly produced by satellites orbiting the planet, which suffer extreme erosion by impacts and gravitational stirring when Fomalhaut b enters into the planetary system after a millennium of deep freeze beyond the main belt. "An analogy can be found by looking at Saturn, which has a tenuous but very large dust ring produced when meteoroids hit the outer moon called Phoebe," Kalas said.

The team has also considered a different scenario where a hypothetical second dwarf planet suffered a catastrophic collision with Fomalhaut b. Kalas explained, "The collision scenario would provide a solution as to why Fomalhaut (the star) has a narrow outer belt linked to an extreme planet. But in this case the belt is young, less than 10,000 years old, and it is difficult to produce energetic collisions far from the star in such young systems."

Two previous papers have confirmed Fomalhaut b's existence as derived in the previous Hubble observations.

"Fomalhaut is a rather special system because it looks like we have a snapshot of what our solar system was doing 4 billion years ago," Kalas said. "The planetary architecture is being redrawn, the comet belts are evolving, and planets may be gaining and losing their moons." Astronomers will continue monitoring Fomalhaut b for decades to come because they may have a chance to observe a planet entering an icy debris belt that is like the Kuiper Belt at the fringe of our own solar system.

CONTACT

Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4514
villard@stsci.edu

Paul Kalas
University of California, Berkeley, Calif.
510-642-8285
kalas@astron.berkeley.edu

 

동영상>

This movie shows the planet Fomalhaut b's movements from 2004 through 2012 as seen by the Hubble Space Telescope. Astronomers precict that the planet is expected to intersect and move beyond the dust disk surrounding the star Fomalhaut around 2032.

Credit: NASA, ESA, P. Kalas (University of California, Berkeley), and G. Bacon (STScI)