구름이 가득 들어찬 외계의 세계를 관측하다 : GJ 1214b와 GJ 436b

 

Artwork Credit: NASA, ESA, and G. Bacon (STScI) Science Credit: NASA, ESA, L. Kreidberg and J. Bean (University of Chicago), and H. Knutson (California Institute of Technology)

 

그림 1> 이 상상화는 외계행성 GJ 1214b의 이론상 외형을 그린 것으로, 이 행성은 지구 질량의 6배를 약간 초과하기 때문에 "슈퍼-지구"유형으로 분류되는 행성이다.
허블 우주망원경이 취득한 스펙트럼 관측 데이터는 이 행성이 높은 고도의 구름으로 완전히 휘감겨 있다는 증거를 제공해주었다.
이 구름들은 이 행성의 저고도 대기와 지표에서 일어나는 모든 활동과 구성성분에 대한 정보를 숨기는 역할을 하고 있다.
이 구름의 구성성분에 대해서는 알려진 바가 없다.
GJ1214b 는 뱀주인자리 방향으로 지구로부터 40광년 거리에 위치하고 있다.

 

구름이 가득 들어찬 외계의 세계를 관측하다.

 

외계행성 GJ 1214b에 있는 일기예보담당자의 일은 매우 쉬울 것이다.

오늘의 일기예보는 "구름이 많이 낀 날씨", 내일의 일기예보도 "잔뜩 흐린 날씨", 향후 일기예보도 "구름이 더 많이 낄 것"일 테니 말이다.

 

두 개의 연구팀이 허블 우주망원경을 이용하여 목성과 같은 거대 가스 행성과 지구와 같은 암석질의 작은 행성의 중간 정도 질량을 가진 한 쌍의 행성의 대기 특성을 파악하여 보고하였다.

NASA 케플러 우주망원경의 관측자료에 따르면 이 정도 크기에 해당하는 행성들은 우리 은하에서 가장 일반적으로 존재하는 행성들이기도 하다.

 

연구원들은 자신들의 작업이 우리 태양계 너머에서 생명체가 거주할 수 있는 지구와 같은 행성을 찾아내는 여정에서 매우 중요한 이정표를 제공한 것이라고 설명하고 있다.

 

이번 발견은 1월 2일 네이처지에 각각의 논문으로 발표되었다.

 

이번에 연구된 두 개의 행성은 GJ 436b와 GJ 1214b 로 알려져 있다.

 

GJ 436b 는 "따듯한 해왕성"으로 분류되어 있는데, 이 행성의 위치가 우리 태양계에서 꽁꽁 얼어붙어 있는 행성인 해왕성보다 훨씬 자신의 별에 가까이 위치하기 때문이다.
이 행성은 사자자리 방향으로 36광년 거리에 위치하고 있다.

 

GJ 1214b의 경우는 "슈퍼-지구"로 분류되는 행성이다.
슈퍼-지구란 지구와 해왕성 사이의 질량을 갖는 행성을 말한다.
이와 같은 유형의 행성은 우리 태양계에는 존재하지 않기 때문에 슈퍼-지구의 물리적 속성은 상당부분 미지의 영역으로 남아 있다.
GJ1214b는 뱀주인 자리 방향으로 지구로부터 40광년 거리에 위치하고 있다.

 

GJ 436b와 GJ 1214b 모두 자신의 별 전면을 지나는 식현상을 일으킬 때 관측이 가능하다.
이러한 식 현상은 이들 행성의 대기를 통과하여 나오는 별빛을 통해 좀더 상세하게 이 행성들을 연구할 기회를 제공해준다.

 

2012년 한해동안 허블 우주망원경을 이용하여 수행된, 이러한 식 현상에 기반을 둔 GJ 436b의 대기 연구는 캘리포니아 기술 연구소의
헤더 넛선(Heather Knutson)이 이끄는 연구팀에게 새로운 논문을 제출할 수 있는 선물을 주었다.

  

여기서 뉴스는 이들이 발견하지 못한 것에 관한 것이다.

  

허블의 스펙트럼상에서는 이 행성의 대기에 대한 그 어떤 특징이나 화학적 특성도 감지되지 않았다.

넛선의 설명은 다음과 같다.
"이 행성은 시각을 차단하는 높은 구름 층에 뒤덮혀 있거나 수소가 결핍된, 구름이 아예 존재하지 않는 대기를 가졌거나 둘중의 하나였는데, 이는 해왕성과는 완전히 다른 모습이었습니다.
그런데 수소 대신에 상대적으로 풍부한 양의 무거운 분자들, 예를 들어 수증기나 일산화탄소 그리고 이산화탄소와 같은 것들을 가지고 있을 가능성이 있었죠.
이들은 대기상에 응축되어 있었고, 그래서 우리는 화학적 특성을 감지하기가 어렵웠답니다."

 

GJ 436b에서도 역시 이전에 취득된 GJ 1214b와 유사한 데이터가 수집되었다.
이 행성의 첫번째 스펙트럼 역시 아무런 특징이 없었고, 유사한 수수께끼를 제공했다.
이 행성의 대기는 주로 수증기 또는 수소가 우세하게 나타나는 높은 구름들을 가지고 있는 것으로 나타났다.

 

시카고 대학의 로라 크라이드버그(Laura Kreidberg)와 제이콥 빈(Jacob Bean)이 이끄는 연구팀은 허블 우주망원경을 이용하여 GJ 1214b를 보다 깊숙이 탐색했으며 높은 구름들이 이 행성을 완전히 뒤감고 있다는 결정적인 증거를 발견할 수 있었다.
이 구름들은 보다 낮은 고도의 대기와 행성 표면에서의 활동 및 조성에 대한 일체의 정보들을 숨기고 있었던 것이다.

 

새로운 허블의 스팩트럼은 이 행성의 대기에서 그 어떤 화학적 특징도 발견할 수 없었지만 새로운 데이터의 높은 정확도는 이들로 하여금 최초에 고려했던 수증기나 메탄, 질소, 일산화탄소나 이산화탄소로 구성된, 구름이 전혀 존재하지 않는 대기의 가능성을 배제할 수 있게 해 주었다.

 

넛선의 소감은 다음과 같다.
"이 두 개 행성은 우리 태양계 너머에 존재하는 외계행성유형의 다양성에 대해 우리에게 말해주고 있습니다.
우리는 정말 이들 행성들이 자신의 별앞을 지날 때 작은 크기의 거대 가스 행성인지, 아니면 우리 지구를 좀더 키운 규모의 물이 가득 들어찬 암석질 행성인지의 여부를 결정하고 싶습니다.

이번 두 개의 관측들은 모두 본질적으로 이러한 질문에 대해 답을 찾아내려는 노력의 일환입니다."

 

GJ 436b 와 GJ 1214b의 모델은 수백도의 온도에 그을려진 대기에서 예측될 수 있는 염화칼륨 성분의 구름이나 황화 아연 성분의 구름을 예측하고 있다.
크라이드버그는 이에 대해 "당신은 지구에서 볼 수 있거나 말할 수 있는 것과는 매우 다른 종류의 구름들을 기대할 수 있을 것입니다."라고 말했다.

 

시카고 연구팀은 GJ 1214b의 구름 가득 낀 대기의 본질을 최종적으로 결정하기까지 많은 노력을 기울여왔다.
크라이드버그의 설명은 다음과 같다.
"우리는 허블우주망원경이 측정가능한 한계까지 밀어붙였습니다.
우리의 작업을 위해 허블 우주망원경은 하나의 외계행성에 대해 이전에 수행된 작업들보다 훨씬더 많은 시간을 헌신해주었습니다.
이번 연구는 유사한 기술을 이용하여 다른 지구들의 특징을 알아내는데 진일보된 틀을 마련한 것이라 할 수 있습니다. 
 

빈이 덧붙이는 소감은 다음과 같다.
"저는 허블과 같은 망원경을 활용하여 우리가 상상만으로는 도저히 그려볼 수 없는 세계를 이와 같이 완벽한 정확성으로 볼 수 있고 슈퍼 지구의 특정 측면을 밝혀낼 수 있다는 것이 매우 흥분되는 일이라고 생각합니다."

 

넛선의 이어지는 설명은 다음과 같다.

"외계행성을 탐색하는데 있어서 구름은 정말이지 실망스러운 존재입니다.
왜냐하면 이들은 우리가 측정하길 원하는 대기의 각종 구성성분을 숨길 수 있기 때문이죠."

 

그러나 더 많은 정보들이 향후 10년이내로 예정된 제임스 웹 우주망원경이 발사되면 밝혀질 수 있을 것이다.
이에 대한 크라이드버그의 소감은 다음과 같다.
"향후를 바라보건데 제임스 웹 우주망원경은 일대 혁신을 일으킬 수 있을겁니다.
이 망원경의 새로운 관측 능력은 우리로하여금 GJ 1214b나 이와 유사한 외계행성의 구름을 뚫고 그 안을 들여다볼 수 있게 해 줄 테니까요."

 

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

 

그림 2> 이 삽화는 외계행성 GJ 436b와 GJ 1214b의 크기를 지구 및 해왕성과 비교하고 있다.
이 행성들은 슈퍼-지구라고 불리는데 이들의 질량은 해왕성과 같은 거대 가스 행성과 이보다는 훨씬 작은 지구와 같은 암석질 행성 사이에 위치하고 있다.

이와 같은 유형의 행성은 우리 태양계에는 존재하지 않는다.
허블 우주망원경의 분광관측 자료는 이 행성들이 구름에 완전히 휘감겨 있어서 그 아래에 위치하고 있을 이 행성의 화학적 조성에 대한 그 어느 정보도 차단되어 있을 것이라는 점을 알려주었다.
이 외계행성들에 대한 화가의 표현은 이론적 예측을 기반으로 하고 있으며 이들이 실제로는 어떤 모습일지에 대해서는 전혀 고려하고 있지 않다.

* 출처 : 허블사이트 2013년 12월 31일 발표 뉴스
            http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2014/06

 

참고 : GJ 436b와 GJ 1214b를 비롯한 각종 외계행성에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346973

 

원문>

 

그림1>

Image: Clouds in Atmosphere of Exoplanet GJ 1214b (Artist's View)

ABOUT THIS IMAGE:

This is an illustration of the hypothetical appearance of the exoplanet GJ 1214b, which is known as a "super-Earth" type planet because it is slightly more than six Earth masses. Spectroscopic observations with NASA's Hubble Space Telescope provide evidence of high clouds blanketing the planet. These clouds hide any information about the composition and behavior of the world's lower atmosphere and surface. The composition of the clouds is unknown. GJ1214b is located 40 light-years from Earth, in the constellation Ophiuchus.

Object Name: GJ 1214b

Image Type: Illustration

Artwork Credit: NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)

Science Credit: NASA, ESA, L. Kreidberg and J. Bean (University of Chicago), and H. Knutson (California Institute of Technology)

 

그림2>

Image: Planet Comparison Graphic (Illustration)

ABOUT THIS IMAGE:

This illustration compares the sizes of exoplanets GJ 436b and GJ 1214b with Earth and Neptune. These so-called super-Earths have masses between gas giants, like Neptune, and smaller, rocky planets, like Earth. No such type of planet exists in our solar system. NASA Hubble Space Telescope spectroscopic observations reveal that these worlds could very likely be smothered in clouds that cloak any information about the planets' underlying chemical compositions. This artistic rendering of the exoplanets is speculative and does not necessarily reflect what their true appearance might actually be.

Object Names: GJ 1214b, GJ 436b

Image Type: Illustration

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

 

본문>

Hubble Sees Cloudy Super-Worlds with Chance for More Clouds

Weather forecasters on exoplanet GJ 1214b would have an easy job. Today's forecast: cloudy. Tomorrow: overcast. Extended outlook: more clouds.

Two teams of scientists using NASA's Hubble Space Telescope report they have characterized the atmospheres of a pair of planets with masses intermediate between gas giants, like Jupiter, and smaller, rockier planets, like Earth. A survey by NASA's Kepler space telescope mission showed that objects in this size range are among the most common type of planets in our Milky Way galaxy. The researchers described their work as an important milestone on the road to characterizing potentially habitable, Earth-like worlds beyond the solar system.

The findings appear in separate papers in the January 2 issue of the journal Nature.

The two planets studied are known as GJ 436b and GJ 1214b. GJ 436b is categorized as a "warm Neptune" because it is much closer to its star than frigid Neptune is to our Sun. The planet is located 36 light-years away in the constellation Leo.

GJ 1214b is known as a "super-Earth" type planet. Super-Earths are planets with masses between that of Earth and Neptune. Because no such planet exists in our solar system, the physical nature of super-Earths is largely unknown. GJ1214b is located just 40 light-years from Earth, in the constellation Ophiuchus.

Both GJ 436b and GJ 1214b can be observed passing in front of, or transiting, their parent stars. This provides an opportunity to study these planets in more detail as starlight filters through their atmospheres.

An atmospheric study of GJ 436b based on such transit observations with Hubble over the last year is presented in one of the papers, led by Heather Knutson of the California Institute of Technology in Pasadena, Calif. The news is about what they didn't find. The Hubble spectra were featureless and revealed no chemical fingerprints whatsoever in the planet's atmosphere. "Either this planet has a high cloud layer obscuring the view, or it has a cloud-free atmosphere that is deficient in hydrogen, which would make it very unlike Neptune," said Knutson. "Instead of hydrogen, it could have relatively large amounts of heavier molecules such as water vapor, carbon monoxide, and carbon dioxide, which would compress the atmosphere and make it hard for us to detect any chemical signatures."

Observations similar to those obtained for GJ 436b had been previously obtained for GJ 1214b. The first spectra of this planet were also featureless and presented a similar puzzle: The planet's atmosphere either was predominantly water vapor or hydrogen-dominated with high-altitude clouds.

A team of astronomers led by Laura Kreidberg and Jacob Bean of the University of Chicago used Hubble to obtain a deeper view of GJ 1214b that revealed what they consider definitive evidence of high clouds blanketing the planet. These clouds hide any information about the composition and behavior of the lower atmosphere and surface. The new Hubble spectra also revealed no chemical fingerprints whatsoever in the planet's atmosphere, but the high precision of the new data enabled them to rule out cloud-free compositions of water vapor, methane, nitrogen, carbon monoxide, or carbon dioxide for the first time.

"Both planets are telling us something about the diversity of planet types that occur outside of our own solar system; in this case we are discovering that we may not know them as well as we thought," said Knutson. "We'd really like to determine the size at which these planets transition from looking like mini-gas giants to something more like a water world or a rocky, scaled-up version of the Earth. Both of these observations are fundamentally trying to answer that question."

Models of GJ 436b and GJ 1214b predict clouds that could be made out of potassium chloride or zinc sulfide at the scorching temperatures of several hundred degrees Fahrenheit predicted to be found in these atmospheres. "You would expect very different kinds of clouds to form on these planets than you would find, say, on Earth," said Kreidberg.

The Chicago team had to make a big effort to conclusively determine the nature of GJ 1214b's cloudy atmosphere. Kreidberg explained, "We really pushed the limits of what is possible with Hubble to make this measurement — our work devoted more Hubble time to a single exoplanet than ever before. This advance lays the foundation for characterizing other Earths with similar techniques." Added Bean, "I think it's very exciting that we can use a telescope like Hubble that was never designed with this in mind, do these kinds of observations with such exquisite precision, and really nail down some aspect of a super-Earth atmosphere."

Knutson continued, "For exoplanets, clouds are incredibly frustrating because they can hide the bulk composition of the atmosphere that we want to measure." However, more will be learned with the launch of the James Webb Space Telescope later this decade. Said Kreidberg, "Looking forward, the James Webb Space Telescope will be transformative. The new capabilities of this telescope will allow us to peer through the clouds on GJ 1214b and similar exoplanets."

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Donna Weaver / Ray Villard
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