케플러 호가 수수께끼에 싸여 있는 외계행성에 대한 통찰력을 제공하다.

 

사진 1> 2014년 1월 케플러 행성 후보군 도표  Image Credit: NASA Ames

 

NASA의 케플러 위성에 의해 발견된 행성후보 중 4분의 3이상에 해당하는 행성들의 크기는 지구와 지구의 4배 정도 크기인 해왕성 사이의 크기를 가진 것으로 조사됐다.

이들은 주로 우리 은하에 위치하고 있지만 우리 태양계를 대변하지는 않는다.

천문학자들은 이들이 어떻게 생성되었는지, 그리고 암석질 행성인지 물로 가득한 행성인지, 아니면 가스상 행성인지 여부에 대해서도 알지 못한다.

 

오늘 케플러 팀은 케플러가 찾아낸 외계행성계에 대한 지상에서 수행된  4년간의 후속 관측에 대해 미국 천문학회에서 보고했다.
이 관측을 통해 케플러가 찾아낸 상당수가 실제 행성임을 확정하였고, 이들 수수께끼의 세계에 대한 질량측정치는 이들이 지구와 해왕성 크기 사이에서 다양하게 분포하고 있음이 알려주었다.

여기에는 지구 크기보다 10퍼센트에서 80퍼센트 더 큰 규모를 가진 5개의 새로운 암석질 행성의 발견도 포함되어 있다.

 

암석질 행성 중 각각 케플러-99b(Kepler-99b)와 케플러-406b(Kepler-406b)로 명명되어 있는 두 개 행성은 지구보다 40%정도 더 크며 밀도는 비슷한 것으로 나타났다.
이 행성들은 자신의 별을 각각 5일 과 3일이 채 안되는 주기로 돌고 있는데 우리가 아는한 이 행성들은 생명체가 살기에는 너무나 뜨거운 행성에 해당한다.

 

이들의 주요 성분에 대한 후속 관측은 이 행성들을 거느린 별들의 도플러 효과로 측정되었다.
연구팀은 이 별들의 주변을 공전하는 행성의 중력 영향에 의해 야기되는 별들의 반사적 흔들림을 측정하였다.
이러한 측정치는 행성의 질량을 밝히는 근거로 사용된다.

질량이 큰 행성들은 별을 잡아끄는 중력이 더 크기 때문에 별은 더 크게 흔들리게 된다.

 

높은 정확도를 가진 도플러 연구의 분석을 주도한 캘리포니아 버클리 대학의 천문학 교수 제프 마르시(Geoff Marcy)의 설명은 다음과 같다.
"이 미니 해왕성들에 대해 쇄도하는 멋진 정보들은 씨와 과육을 가지고 있는 복숭아와 그닥 다르지 않은 이들의 내부 구조에 대해 말해주고 있습니다.
우리는 어떻게 이 수수께끼의 행성들이 형성되었는지, 그리고 우리 태양계는 왜 우리은하 대부분의 행성계가 가지고 있는 것과 같은 모습을

피할 수 있었는지와 같은 곤란한 질문에 직면해 있습니다."
 

가장 거대한 규모를 자랑하는 지상의 망원경 중 하나인 하와이의 W. M. 켁 망원경을 활용하여 과학자들은 케플러에 의해 발견된 외계행성 중 41개를 확정할 수 있었으며 16개에 대해서는 그 질량을 측정할 수 있었다.

질량과 직경이 파악되면 과학자들은 즉시 이 행성들의 밀도를 결정할 수 있으며 이를 통해 이들이 암석질 행성인지 가스상 행성인지 아니면 이 두개가 혼합된 행성인지를 결정할 수 있게 된다.

이러한 밀도 측정치는 이상하지만 도처에 널려 있는 행성의 화학적 조성도 추론할 수 있게 해준다.

밀도 측정치는 이 행성들이 해왕성 보다는 작은 행성이며 암석질 핵을 가지고 있고, 어떤 것들은 전혀 표피를 가지고 있지 않지만,  수소와 헬륨 그리고 수소가 많이 분포하는 분자들로 구성된 표피가 매우 드라마틱하게 핵을 감싸고 있다는 점을 제시해주고 있다. 

 

지상에서의 관측 연구는 38개의 새로운 행성에 대해서 유효했으며 이중 6개는 자신의 별 전면을 지나지 않는 행성으로 오직 도플러 효과로만 관측할 수 있었다.

연구에 대한 세부를 다룬 논문은 오늘 Astrophysical Journal 에 개재되었다.

 

질량의 결정과 바로 이어지는 밀도의 결정에 사용된 보완적 기술은 식(행성이 자신의 별 전면을 지나는 현상) 타이밍 변이(the transit timing variations, 이하 TTV)를 측정함으로서 이루어졌다.
행성의 중력이 자신의 별에 행사하는 힘과 상당히 동일하게 그 이웃의 행성들도 다른 행성들에게 영향을 행사하여 공전 궤도를 따라 한 행성의 속도가 가속되면 다른 행성은 속도가 감속된다.

 

토론토 대학의 지 지웨이(Ji-Wei Xie)는 TTV를 이용하여 지구정도 크기에서 해왕성보다 약간 큰 크기의 케플러 행성 15쌍을 대상으로 이를 확인하였다.
지는 30개 행성의 질량을 측정한 후 이 새로운 유형의 행성들을 위하여 행성 특질 개요에 내용을 추가하였다.

그 결과는 2013년 12월 Astrophysical Journal에 개재된 바 있다.

 

NASA 에임스 연구소의 케플러 미션 과학자인 나탈리 바탈라 (Natalie Batalha)의 소감은 다음과 같다.
"케플러의 주요 목적은 다양한 크기와 공전궤도를 가진 행성의 분포를 결정하는데 있습니다.
물론 특별히 생명체 서식 가능지역에 존재하는 지구 정도 크기 행성에서 생명체를 찾는 것은 특별한 흥미를 제공해 주기도 하죠.
그러나 우리 마음속에 항상 남는 질문은 지구정도 크기의 행성들이 모두 암석질행성일까 하는 것입니다.
꽁꽁얼어붙은 해왕성과 같은 행성이나 또는 증기가 가득 들어차있는 행성으로서 작은 행성은 없을까요?
어떤 요소를 가지고 그 행성이 우리 행성과 동족인 암석질행성이라는 것을 알 수 있을까요?"

 

도플러 효과와 TTV를 이용하여 만들어낸 역학적인 질량 측정치를 분석하면 이러한 질문의 답을 찾을 수 있을 것이다.
이번 결과는 우리 지구 반경의 1.5배 이하의 행성들 중 상당수가 우리 태양계의 암석질 행성에서 발견되는 실리콘, 철, 니켈, 마그네슘등으로 구성되어 있을 것이라는 힌트를 주고 있다.

이러한 유형의 정보로 무장한 과학자들은 지구 정도 크기의 행성을 품은 별들 중에서 진정 암석질 행성을 거느린 별들로 방향을 틀 수 있게 될 것이다.

그리고 이것은 우리 태양계너머에서 생명체의 서식이 가능한 환경을 찾는데 한걸음 더 다가가는 발걸음이 될 것이다.

 

출처 : NASA - Kepler Mission
        http://www.nasa.gov/ames/kepler/nasa-kepler-provides-insight-about-enigmatic-but-ubiquitous-planets-five-new-rocky-planets/

 

참고 : 케플러 미션을 비롯한 각종 외계행성에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346973

 

원문>

NASA Kepler Provides Insight About Enigmatic But Ubiquitous Planets, Five New Rocky Planets

 

Jan. 6, 2014

 

More than three-quarters of the planet candidates discovered by NASA's Kepler spacecraft have sizes ranging from that of Earth to that of Neptune, which is nearly four times as big as Earth. Such planets dominate the galactic census but are not represented in our own solar system. Astronomers don’t know how they form or if they are made of rock, water or gas.

The Kepler team today reports on four years of ground-based follow-up observations targeting Kepler's exoplanet systems at the American Astronomical Society meeting in Washington. These observations confirm the numerous Kepler discoveries are indeed planets and yield mass measurements of these enigmatic worlds that vary between Earth and Neptune in size.

Included in the findings are five new rocky planets ranging in size from ten to eighty percent larger than Earth. Two of the new rocky worlds, dubbed Kepler-99b and Kepler-406b, are both forty percent larger in size than Earth and have a density similar to lead. The planets orbit their host stars in less than five and three days respectively, making these worlds too hot for life as we know it.

A major component of these follow-up observations were Doppler measurements of the planets' host stars. The team measured the reflex wobble of the host star, caused by the gravitational tug on the star exerted by the orbiting planet. That measured wobble reveals the mass of the planet: the higher the mass of the planet, the greater the gravitational tug on the star and hence the greater the wobble.

"This marvelous avalanche of information about the mini-Neptune planets is telling us about their core-envelope structure, not unlike a peach with its pit and fruit," said Geoff Marcy, professor of astronomy at University of California, Berkeley who led the summary analysis of the high-precision Doppler study. "We now face daunting questions about how these enigmas formed and why our solar system is devoid of the most populous residents in the galaxy."

Using one of the world's largest ground-based telescopes at the W. M. Keck Observatory in Hawaii, scientists confirmed 41 of the exoplanets discovered by Kepler and determined the masses of 16. With the mass and diameter in-hand, scientists could immediately determine the density of the planets, characterizing them as rocky or gaseous, or mixtures of the two.

These density measurements dictate the possible chemical composition of these strange, but ubiquitous planets. The density measurements suggest that the planets smaller than Neptune – or mini-Neptunes – have a rocky core but the proportions of hydrogen, helium and hydrogen-rich molecules in the envelope surrounding that core vary dramatically, with some having no envelope at all.

The ground-based observation research validates 38 new planets, six of which are non-transiting planets only seen in the Doppler data. The paper detailing the research is published in the Astrophysical Journal today.

A complementary technique used to determine mass, and in turn density of a planet, is by measuring the transit timing variations (TTV). Much like the gravitational force of a planet on its star, neighboring planets can tug on one another causing one planet to accelerate and another planet to decelerate along its orbit.

Ji-Wei Xie of the University of Toronto, used TTV to validate 15 pairs of Kepler planets ranging from Earth-sized to a little larger than Neptune. Xie measured masses of the 30 planets thereby adding to the compendium of planetary characteristics for this new class of planets. The result also was published in the Astrophysical Journal in Dec. 2013.

"Kepler's primary objective is to determine the prevalence of planets of varying sizes and orbits. Of particular interest to the search for life is the prevalence of Earth-sized planets in the habitable zone," said Natalie Batalha, Kepler mission scientist at NASA’s Ames Research Center in Moffett Field, Calif. "But the question in the back of our minds is: are all planets the size of Earth rocky? Might some be scaled-down versions of icy Neptunes or steamy water worlds? What fraction are recognizable as kin of our rocky, terrestrial globe?"

The dynamical mass measurements produced by Doppler and TTV analyses will help to answer these questions. The results hint that a large fraction of planets smaller than 1.5 times the radius of Earth may be comprised of the silicates, iron, nickel and magnesium that are found in the terrestrial planets here in the solar system.

Armed with this type of information, scientists will be able to turn the fraction of stars harboring Earth-sizes planets into the fraction of stars harboring bona-fide rocky planets. And that's a step closer to finding a habitable environment beyond the solar system.

Ames is responsible for the Kepler mission concept, ground system development, mission operations, and science data analysis. NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Calif., managed Kepler mission development. Ball Aerospace & Technologies Corp. in Boulder, Colo., developed the Kepler flight system and supports mission operations with the Laboratory for Atmospheric and Space Physics at the University of Colorado in Boulder. The Space Telescope Science Institute in Baltimore archives, hosts and distributes Kepler science data. Kepler is NASA's 10th Discovery Mission and was funded by the agency's Science Mission Directorate.

For more information about the Kepler space telescope, visit:

http://www.nasa.gov/kepler

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AR14-002

 

Michele Johnson
Ames Research Center, Moffett Field, Calif.
650-604-6982
michele.johnson@nasa.gov