외계행성에서의 낮의 길이를 처음으로 측정하다.

 

Credit: ESO L. Calcada/N. Risinger (skysurvey.org)

 

그림1> 이 상상도는 화가자리 베타 별(Beta Pictoris) 주위를 공전하고 있는 행성의 모습을 보여주고 있다.
이 외계행성의 자전율이 처음으로 측정되었다.
이 행성의 적도 자전속도는 시속 10만 킬로미터로서 이는 태양계에 있는 어떤 행성보다도 빠른 자전속도이며 하루의 시간은 8시간이 된다.

 

 

외계행성에서의 낮의 길이를 처음으로 측정하다.

 

ESO의 초거대망원경(Very Large Telescope, 이하 VLT)이 사상 처음으로 외계행성의 자전율을 계산해냈다.

베타 픽토리스 b(Beta Pictoris b)가 하루에 가질 수 있는 시간은 고작 8시간임을 발견한 것이다.

이러한 속도는 태양계에 있는 어느 행성보다도 훨씬 빠른 속도로 적도상에서 자전 속도는 시속 10만 킬로미터에 달한다.
이러한 새로운 발견은 우리 태양계에서 외계행성들에 이르기까지 공통적으로 나타나는 질량과 자전간의 관계까지 확장된다.

동일한 기술이 천문학자들로 하여금 앞으로 예정된 유러피안 초대형망원경(the European Extremely Large Telescope, 이하 E-ELT)을 통해 외계행성의 지도를 세부적으로 그려낼 수 있게 해 줄 것이다.

 

외계행성 베타 픽토리스 b는 남반구의 별자리인 화가자리에서 육안으로도 보이는63광년 거리의 화가자리 베타별(Beta Pictoris)[1], [2] 주위를 공전하고 있다.

이 행성이 처음 발견된 것은 6년 전이며, 직접적으로 촬영된 최초의 외계행성 중 하나이다.
이 행성은 자신의 별을 지구-태양 거리의 8배 거리를 두고 공전하고 있는데, 이는 직접적으로 촬영된 행성으로서는 자신의 별에 가장 가까이 위치하고 있는 상태이다.[3]

 

네덜란드 라이든 대학과 네덜란드 우주연구소(the Netherlands Institute for Space Research, SRON)의 천문학자들로 구성된 연구팀은 VLT에 장착된 CRIRES를 이용하여 이 행성의 적도에서 나타나는 자전 속도가 거의 시속 10만 킬로에 육박한다는 것을 발견해냈다.

 

목성의 경우 적도에서의 자전 속도는 시속 4만 7천 킬로미터[4]이며 지구의 경우 이 속도는 고작 시속 1700킬로미터이다[5].

 

베타 픽토리스 b는 지구보다 16배나 더 크고 그 질량은 3천배임에도 하루가 가지는 시간은 고작 8시간밖에 되지 않는다.

 

Credit: ESO/I. Snellen (Leiden University)

 

표1> 이 그래픽은 태양계 행성들의 자전속도와 최근 측정된 베타 픽토리스 b 행성의 자전속도를 함께 보여주고 있다.

 

이번 연구의 공동 연구원인 렘코 드 콕(Remco de Kok)의 설명은 다음과 같다.
"왜 어떤 행성들은 빠르게 자전하는 반면 어떤 행성들은 느리게 자전하고 있는지에 대해 그 원인이 규명된 것은 없습니다.
그러나 외계행성의 자전에 대한 이번 최초 측정은 우리 태양계와 같은 트랜드가 존재함을 보여주고 있습니다.
좀더 무거운 행성일수록 좀더 빨리 자전한다는 것이 그것인데 이러한 사실이 외계행성계에도 그대로 적용되고 있는 것이죠.
이것은 행성들이 형성되는 방법에 대한 보편적인 결과일수도 있습니다."

 

베타 픽토리스 b는 매우 어린 행성으로서 그 나이는 고작 2천만년밖에 되지 않는다.(45억살인 지구의 나이와 비교해보라)[6]
앞으로도 오랜시간동안 이 외계행성은 점점 온도가 식으면서 축소가 지속될 것으로 보이며 이 와중에 자전 속도는 더 빨라질 것이다.[7]

 

또 한편으로는 다른 프로세스가 작동하면서 이 행성의 자전속도에 변화가 발생할 수도 있다.
예를 들어 지구의 경우 자전 속도는 달과의 중력 상호작용에 의해 지속적으로 감소해왔다.

 

천문학자들은 고분산 분광학이라 불리는 정교한 기술을 이용하여 스펙트럼 상에서 서로 다른 파장을 걸러내어 그 구성 색체를 분리해냈다.
도플러 효과는 천문학자들로하여금 관측자에 대해 상대적으로 다른 방향으로 움직이는 부분들의 속도 차이를 통해 이 행성의 서로 다른 부분에서 감지되는 파장의 변화를 사용할 수 있도록 해주고 있다.

 

이 행성의 별로부터 발생하는 훨씬 밝은 빛에 의한 효과를 주의깊게 제거함으로써 천문학자들은 이 행성의 자전 신호를 추출해낼 수 있었다.

 

수석 연구원인 Ignas Snellen 의 설명은 다음과 같다.
"우리는 이 행성에서 복사되어 나오는 빛의 파장을 특정 부분에 대해 십만여번의 정확도로 측정하였습니다.
이를 통해 도플러 효과를 매우 세밀하게 측정하였고 이 행성의 속도가 드러나게 되었죠. 
이러한 기술을 통해 이 행성이 우리에게서 멀어지는 부분과 우리로 다가오는 부분이 서로 다른 속도를 가지고 있음을 알게 되었고 이는 이 행성이 자전축을 중심으로 회전하고 있다는 것을 의미하는 것이었습니다."

 

이러한 기술은 도플러 영상과 매우 긴밀한 연관관계가 있으며 최근 루만 16B(Luhman 16B)라는 갈색 왜성[8]의 측정을 포함하여 지난 수십년동안 별의 표면 지도를 작성하는데 사용되어온 기술이다.

 

베타 픽토리스 b가 빠른 자전속도를 가지고 있다는 것은 앞으로 이 행성의 구름 패턴이나 거대한 폭풍을 보여줄 수 있는 이 행성 전역의 지도를 제작할 수 있음을 말해주고 있다.

 

이번 논문의 공동 저자이자 METIS 수석 연구원인 Bernhard Brandl의 소감은 다음과 같다.
"이 기술은 E-ELT와 고분산 분광 화상기의 첨단 분해능으로 훨씬 많은 외계행성에 대해서도 사용될 수 있습니다.
중 적외선 E-ELT화상기(Mid-infrared E-ELT Imager and Spectrograph, METIS)와 분광기를 활용하여 우리는 외계행성의 전역 지도를 제작할 수 있고 베타 빅토리스 b 행성보다도 훨씬 작은 행성들의 특징을 파악할 수 있을 것입니다."

 

Credit: ESO, IAU and Sky & Telescope

 

표2> 화가자리 베타 별의 위치가 원으로 표시되어 있다.
이름에서 표시된 바와 같이 이 별은 화가자리에서 두번째로 밝게 빛나는 별이다.
이 표에 표시된 대부분의 별들과 함께 화가자리 베타 별 역시 어두운 밤에 육안으로 관측 가능하다.

 

 

Credit: ESO/Digitized Sky Survey 2

 

사진1> 화가자리 베타 별은 화가자리 방향으로 60광년 거리에 위치하고 있으며 주위를 먼지 잔해 원반이 둘러싸고 있는 별로서는 가장 잘 알려진 별들 중 하나이다.
이전 관측에서 보여준 휘어진 원반과 여기에서 파생된 기울어진 경향을 보이는 원반, 그리고 별로 추락하는 혜성들, 이 모두는 직접적으로 관측되지는 않았지만 이곳에 무거운 행성이 존재한다는 것을 강력하게 암시해 주고 있다.

ESO 초거대망원경에 장착된 NACO 장비를 통해 2003년과 2008년, 그리고 2009년에 관측된 데이터는 화가자리 베타별 주위에 행성이 존재하고 있음을 입증하였다.
이 행성은 화가자리 베타별로부터 지구-태양 거리의 8배에서 15배 거리 사이에 위치하고 있으며 이는 대략 태양에서 토성까지의 거리에 해당한다.
이 행성의 질량은 목성 질량의 9배이며 이 질량과 위치는 원반의 안쪽 부분이 구부러져 있음을 설명해주는 원인이 된다.
DSS2에 의해 촬영된 데이터를 기반으로 한 이 사진은 화가자리 베타 별 주위의 가로세로 각각 1.7, 2.3도 영역을 보여주고 있다.

각주
[1] 화가자리 베타 별은 다른 이름도 여러 개 가지고 있는데, HD 39060, SAO 234134, HIP 27321이 바로 그것이다.

 

[2] 화가자리 베타별은 그 주위를 먼지 원반이 둘러싸고 있는 별로서 가장 잘 알려진 별들 중 하나이다. 
이 원반은 지구와 태양까지 거리의 1천배가 넘는 거리까지 펼쳐져 있다는 사실이 규명되었다. 
화가자리 베타별이 행성을 가지고 있다는 사실이 발견된 이전 관측 자료는 하기 링크를 통해 확인할 수 있다.
      http://www.eso.org/public/news/eso0842/

      http://www.eso.org/public/news/eso1024/

        https://big-crunch.tistory.com/12347148

 

[3] 이 행성의 관측은 지구상 최적의 천문관측 장소라도 어김없기 겪게되는 대기의 간섭으로 인한 화상 왜곡을 보완하는 적응적 광학기술(the adaptive optics technique)을 통해 수행되었다. 
이 기술은 천문학자들로 하여금 마치 우주공간에서 관측한 것과 같은 고해상도의 선명한 사진을 얻을 수 있게 해주고 있다.

 

[4] 목성의 경우 고체 표면을 가지고 있지 않기 때문에 자전 속도는 적도상의 대기회전속도를 가지고 계산하는데 이 속도가 바로 시속 4만 7천 킬로미터이다.

 

[5] 지구 적도의 자전속도는 정확히는 시속 1674.4킬로미터이다.

 

[6] 초기 측정치에서는 이 행성계의 나이가 더 어리다고 제안된 바 있다.

 

[7] 이것은 각운동량 보존의 결과이며 회전하는 피겨스케이트 선수가 팔을 몸에 가까이 붙일수록 속도가 더 빨라지는 것과 동일한 효과이다.

 

[8] 갈색왜성은 종종 우리 태양과 같은 별이 되지 못한 "실패한 별"로 불린다.
이들은 중심에서 핵융합 반응을 일으킬만큼 충분한 질량을 가지지 못한 천체이다.

 출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2014년 4월 30일자 
          http://www.eso.org/public/news/eso1414/
         
참고 : 베타 픽토리스 b를 비롯한 각종 외계행성에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346973

 

원문>

Length of Exoplanet Day Measured for First Time

VLT measures the spin of Beta Pictoris b

30 April 2014

Observations from ESO’s Very Large Telescope (VLT) have, for the first time, determined the rotation rate of an exoplanet. Beta Pictoris b has been found to have a day that lasts only eight hours. This is much quicker than any planet in the Solar System — its equator is moving at almost 100 000 kilometres per hour. This new result extends the relation between mass and rotation seen in the Solar System to exoplanets. Similar techniques will allow astronomers to map exoplanets in detail in the future with the European Extremely Large Telescope (E-ELT).

Exoplanet Beta Pictoris b orbits the naked-eye star Beta Pictoris [1], [2], which lies about 63 light-years from Earth in the southern constellation of Pictor (The Painter’s Easel). This planet was discovered nearly six years ago and was one of the first exoplanets to be directly imaged. It orbits its host star at a distance of only eight times the Earth-Sun distance (eso1024) — making it the closest exoplanet to its star ever to be directly imaged [3].

Using the CRIRES instrument on the VLT, a team of Dutch astronomers from Leiden University and the Netherlands Institute for Space Research (SRON) have now found that the equatorial rotation velocity of exoplanet Beta Pictoris b is almost 100 000 kilometres per hour. By comparison, Jupiter’s equator has a velocity of about 47 000 km per hour [4], while the Earth’s travels at only 1700 km per hour [5]. Beta Pictoris b is more than 16 times larger and 3000 times more massive than the Earth, yet a day on the planet only lasts 8 hours.

“It is not known why some planets spin fast and others more slowly,” says co-author Remco de Kok, “but this first measurement of an exoplanet’s rotation shows that the trend seen in the Solar System, where the more massive planets spin faster, also holds true for exoplanets. This must be some universal consequence of the way planets form.”

Beta Pictoris b is a very young planet, only about 20 million years old (compared to 4.5 billion years for the Earth) [6]. Over time, the exoplanet is expected to cool and shrink, which will make it spin even faster [7]. on the other hand, other processes might be at play that change the spin of the planet. For instance, the spin of the Earth is slowing down over time due to the tidal interactions with our Moon.

The astronomers made use of a precise technique called high-dispersion spectroscopy to split light into its constituent colours — different wavelengths in the spectrum. The principle of the Doppler effect (or Doppler shift) allowed them to use the change in wavelength to detect that different parts of the planet were moving at different speeds and in opposite directions relative to the observer. By very carefully removing the effects of the much brighter parent star they were able to extract the rotation signal from the planet.

“We have measured the wavelengths of radiation emitted by the planet to a precision of one part in a hundred thousand, which makes the measurements sensitive to the Doppler effects that can reveal the velocity of emitting objects,” says lead author Ignas Snellen. “Using this technique we find that different parts of the planet’s surface are moving towards or away from us at different speeds, which can only mean that the planet is rotating around its axis“.

This technique is closely related to Doppler imaging, which has been used for several decades to map the surfaces of stars, and recently that of a brown dwarf [8] — Luhman 16B (eso1404). The fast spin of Beta Pictoris b means that in the future it will be possible to make a global map of the planet, showing possible cloud patterns and large storms.

“This technique can be used on a much larger sample of exoplanets with the superb resolution and sensitivity of the E-ELT and an imaging high-dispersion spectrograph. With the planned  Mid-infrared E-ELT Imager and Spectrograph (METIS) we will be able to make global maps of exoplanets and characterise much smaller planets than Beta Pictoris b with this technique”, says METIS principal investigator and co-author of the new paper, Bernhard Brandl.

Notes

[1] Beta Pictoris has many other names, e.g. HD 39060, SAO 234134 and HIP 27321.

[2] Beta Pictoris is one of the best-known examples of a star surrounded by a dusty debris disc. This disc is now known to extend out to about 1000 times the distance between the Earth and the Sun. Earlier observations of Beta Pictoris’s planet were reported in eso0842, eso1024 and eso1408.

[3] The observations made use of the adaptive optics technique compensating for the Earth’s atmospheric turbulence which can distort images obtained at even the best sites in the world for astronomy. It allows astronomers to create super-sharp images, almost as good as those that could be seen from space.

[4] Since Jupiter has no solid surface from which to determine the planet’s rotation rate, we take the rotation speed of its equatorial atmosphere, which is 47 000 km per hour.

[5] The Earth’s rotation speed at the equator is 1674.4 km per hour.

[6] Earlier measurements suggested that the system was younger.

[7] This is a consequence of the conservation of angular momentum and is the same effect that makes a spinning ice skater turn more rapidly when they bring their arms closer to their body.

[8] Brown dwarfs are often dubbed “failed stars” as, unlike stars such as the Sun, they are not massive enough to sustain nuclear fusion reactions.

More information

This research was presented in a paper “Fast spin of a young extrasolar planet”, by I. Snellen et al., to appear in the to appear in the journal Nature on 1 May 2014.

The team is composed of Ignas A. G. Snellen (Leiden Observatory, Leiden University, Leiden, the Netherlands), Bernhard Brandl (Leiden Observatory), Remco J. de Kok (Leiden Observatory, SRON Netherlands Institute for Space Research, Utrecht, the Netherlands), Matteo Brogi (Leiden Observatory), Jayne Birkby (Leiden Observatory) and Henriette Schwarz (Leiden Observatory).

ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It is supported by 15 countries: Austria, Belgium, Brazil, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom. ESO carries out an ambitious programme focused on the design, construction and operation of powerful ground-based observing facilities enabling astronomers to make important scientific discoveries. ESO also plays a leading role in promoting and organising cooperation in astronomical research. ESO operates three unique world-class observing sites in Chile: La Silla, Paranal and Chajnantor. At Paranal, ESO operates the Very Large Telescope, the world’s most advanced visible-light astronomical observatory and two survey telescopes. VISTA works in the infrared and is the world’s largest survey telescope and the VLT Survey Telescope is the largest telescope designed to exclusively survey the skies in visible light. ESO is the European partner of a revolutionary astronomical telescope ALMA, the largest astronomical project in existence. ESO is currently planning the 39-metre European Extremely Large optical/near-infrared Telescope, the E-ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.

Links

• Research paper
• Photos of the VLT
• Photos of CRIRES
• The CRIRES instrument on the VLT
• More about METIS: A Mid-Infrared E-ELT Imager and Spectrograph
• Video describing the Beta Pictoris b result (from Leiden University/NOVA, the Netherlands)

Contacts

Ignas Snellen
Leiden Observatory
Leiden, The Netherlands
Tel: +31 71 52 75 838
Cell: +31 63 00 31 983
Email: snellen@strw.leidenuniv.nl

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