놀랍도록 메마른 3개의 외계행성

 

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

 

그림1>

이 상상화는 페가수스 자리에 지구로부터 150광년 떨어져 있는 거대 가스 행성 HD 209458b(비공식적인 이름은 오시리스(Osiris))를 묘사한 것이다.
이 행성은 "뜨거운 목성"으로 분류되는 행성이며, 질량은 지구의 220배로 측정되었고 대기온도는 섭씨 1,176도이다.
이 행성은 자신의 별에 매우 가깝게 붙어 공전하고 있으며 그 공전궤도는 지구 쪽으로 그 모서리를 향하고 있다.
이러한 공전궤도를 가진 행성들은 행성의 대기를 통과해 오는 별빛을 통해 대기 상의 화학적 구성성분을 정확하게 측정할 수 있는, 허블 우주망원경의 이상적인 관측 대상이 된다.
이 행성에 대한 관측 결과, 표준 행성 형성 모델에서 예견되는 양보다 훨씬 적은 양의 수증기가 탐지되어 천문학자들에게 놀라움을 안겨주었다.

 

 

놀랍도록 메마른 3개의 외계행성

 

천문학자들이 허블우주망원경을 이용하여 우리 태양과 같은 별 주위를 공전하며, 대기상에 수증기가 존재하는 행성 세 개를 발견하였다.
그러나 이 행성들은 거의 메마른 상태에 다가서고 있었다.

 

이 세개의 행성은 각각 HD 189733b, HD 209458b, WASP-12b 이며 60광년에서 900광년 사이 거리에 위치하고 있다.
이 거대 가스상 행성들은 너무나 뜨거워서 그 온도는 섭씨 815도에서 2,200도 사이이다.
따라서 이들은 대기상에서 수증기를 탐지할 수 있을만한 이상적인 후보들이었다.

 

그러나 학자들을 놀라게 만든 것은 이 행성이 표준행성형성 이론에서 예측하는 수증기의 양보다 10분의 1에서 1,000분의 1정도로 희박한 수증기를 가지고 있다는 사실이다.

 

이번 연구를 이끈 영국 캠브리지 대학 천문 연구소 니쿠 마두수단(Nikku Madhusudhan)의 설명은 다음과 같다.
"이번에 탐사된 행성들 중 하나인 HD 209458b에 대한 수증기 측정치는 외계행성의 화학적 조성을 탐사한 그 어떤 연구보다도 가장 높은 정확도의 측정치를 보여주고 있습니다.
지금 우리는 우리가 탐사해왔던 어떤 외계행성계의 수증기 탐사보다도 훨씬더 확신있게 그 측정치를 말할 수 있게 되었습니다.
그러나 너무나도 적은 수증기 때문에 놀라지 않을 수가 없었죠."

 

마두수단은 이번 발견이 외계행성이론에 대한 도전이 된다고 말했다.
"이것은 근본적으로 행성형성이론이라는 벌집을 건드린 것입니다.
우리는 이 행성들에서 상당한 양의 물을 발견할 것이라고 예상했었습니다.
우리는 행성형성이론을 재검토했고, 특히 '뜨거운 목성형 행성'이라는 거대 행성 모델로 이동하여 이들이 어떻게 형성되는지를 조사했습니다."

 

이 행성들은 비록 자신의 별에 바짝 다가서 있는 뜨겁고 거대한 행성들이긴 하지만 그가 이 연구 결과에서 강조하는 것은 생명체의 서식이 가능할만한 지구 크기의 외계행성에서 물을 찾아내는데 적용될 수 있을지도 모른다는 점이다. .

 

미래에 우주공간에 설치될 망원경의 장비들은 관측하고자 하는 행성이 예상보다 훨씬 메마른 상태일지도 모르는 상태를 감지하기 위해 디자인되어야 할 필요가 있을지도 모른다.

 

마두수단은 예상보다 물이 훨씬 적개 존재하는 슈퍼-지구(지구보다 몇 배의 질량을 가지고 있는 암석질 행성)의 관측을 위한 준비를 해야 한다고 말했다.

 

우주망원경과학 연구소와 메릴랜드 대학, 존스홉킨스 대학과 캐나다 토론토 대학 던랩 연구소의 연구원으로 구성되어 있는 마두수단과 그의 동료들은 허블우주망원경으로 관측한 이 행성의 근적외선 분광분석자료를 이용하여 정교한 컴퓨터 모델과 데이터를 해석하기 위한 통계기법을 근거로 이 행성 대기의 수증기 양을 측정하였다. 
 
이번에 선정된 행성들은 상대적으로 밝은 빛을 내는 별 주위를 돌고 있어 충분한 적외선 스펙트럼을 획득할 수 있는 행성들이었다.
이 행성 대기의 수증기로부터 나타나는 흡수선은 이 행성의 대기를 통과한 별빛에 적은 양의 흔적을 남겼다.
 

지상에 위치한 망원경을 이용하여 자신의 별 전면을 통과하는 행성 대기의 수증기를 발견하는 것은 거의 불가능하다.
왜냐하면 지구 대기에는 이미 충분한 수증기가 존재하고 있어 관측 데이터를 오염시키기 때문이다.

 

 이번 논문의 공동 저자인 토론토 대학 던랩 연구소의 니콜라스 크로우쳇(Nicolas Crouzet)은 따라서 이와 같은 관측에 허블 우주망원경은 절대적으로 필요한 관측기구라고 말했다.

 

우리 태양계에서 거대 행성들이 어떻게 형성되었는지에 대해 현재 일반적으로 채택되고 있는 이론은 핵강착 이론(core accretion)으로 알려져 있다.
이 이론에서 행성은 갓 태어난 별을 둘러싸고 있는 원시 행성원반의 수소와 헬륨, 그리고 얼음과 여러 화학원소들이 엉겨있는 먼지들에 의해 만들어진다고 예견하고 있다.

이 먼지 입자들은 서로 엉겨붙게 되면서 궁극적으로 훨씬 더 큰 뭉치로 몸집을 불려나간다.
이 핵이 고체물질들과 가스의 강착을 이끌게 되고 결국 이로부터 거대 행성이 만들어진다는 것이다.

 

이러한 행성 형성이론은 행성을 구성하고 있는 서로 다른 원소의 비율은 행성의 별을 구성하고 있는 원소들과 비례하여 나타나는 것으로 보고 있으며, 특히 산소는 그 영향을 가장 많이 받는 것으로 추측하고 있다.
이렇게 거대 행성이 만들어지면 대기상의 산소는 주로 물 분자에 갇혀 있는 것으로 예견되고 있다.

 

과학자들은 이번 연구를 통해 매우 적은 수준의 수증기가 발견된 것은 행성의 형성에 관여하는 화학적 구성 물질에 대해 여러 의문을 불러일으킨다고 입을 모았다.

 

이번 선구적인 연구를 이끈 연구원 중 한명인 메릴랜드 대학 드레이크 데밍( Drake Deming )의 소감은 다음과 같다.
"우리는 여전히 외계행성에 대해 모르는 것이 많습니다.
따라서 이번 연구는 행성과 태양계가 어떻게 형성되었는지를 이해하는데 있어 새로운 장을 연것이라 할 수 있습니다.
문제점은 이겁니다. 우리는 수증기가 우리 태양계에서만큼 이곳에도 풍부히 존재할 것이라고 가정하고 있었습니다.
그러나 우리의 연구 결과는 예상보다 그 양이 많지 않다는 것입니다."

 

이번 연구 결과는 2014년 7월 24일 아스트로피지컬 저널(The Astrophysical Journal)에 개재되었다.

 

Credit: NASA, ESA, N. Madhusudhan (University of Cambridge), and A. Feild and G. Bacon (STScI)

 

 

표1> 이 그래프는 허블우주망원경에 의해 분광분석이 수행된 세 개의 뜨거운 목성형 외계행성의 적외선 분광데이터를 보여주고 있다.
표에서 붉은 색의 곡선은 행성 대기에서 탐지된 수증기 흡수선을 보여주고 있으며 파란색의 원과 오차 표시 막대는 허블 분광분석 관측자료로부터 수집한 데이터의 분석 결과를 보여주고 있다.

 

 

* 출처 : 허블사이트 2014년 7월 24일 발표 뉴스
            http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2014/36/

 

참고 : 각종 외계행성에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 확인할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346973

 

원문>

News Release Number: STScI-2014-36

Hubble Finds Three Surprisingly Dry Exoplanets

Astronomers using NASA's Hubble Space Telescope have gone looking for water vapor in the atmospheres of three planets orbiting stars similar to the Sun — and have come up nearly dry.

The three planets, HD 189733b, HD 209458b, and WASP-12b, are between 60 and 900 light-years away. These giant gaseous worlds are so hot, with temperatures between 1,500 and 4,000 degrees Fahrenheit, that they are ideal candidates for detecting water vapor in their atmospheres.

However, to the surprise of the researchers, the planets surveyed have only one-tenth to one one-thousandth the amount of water predicted by standard planet-formation theories.

"Our water measurement in one of the planets, HD 209458b, is the highest-precision measurement of any chemical compound in a planet outside the solar system, and we can now say with much greater certainty than ever before that we've found water in an exoplanet," said Dr. Nikku Madhusudhan of the Institute of Astronomy at the University of Cambridge, United Kingdom, who led the research. "However, the low water abundance we are finding is quite astonishing."

Madhusudhan said that this finding presents a major challenge to exoplanet theory. "It basically opens a whole can of worms in planet formation. We expected all these planets to have lots of water in them. We have to revisit planet formation and migration models of giant planets, especially 'hot Jupiters', and investigate how they're formed."

He emphasizes that these results, though found in these large hot planets close to their parent stars, may have major implications for the search for water in potentially habitable Earth-sized exoplanets. Instruments on future space telescopes may need to be designed with a higher sensitivity if target planets are drier than predicted. "We should be prepared for much lower water abundances than predicted when looking at super-Earths (rocky planets that are several times the mass of Earth)," Madhusudhan said.

Using near-infrared spectra of the planets observed with Hubble, Madhusudhan and his collaborators from the Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland; the University of Maryland, College Park, Maryland; the Johns Hopkins University, Baltimore, Maryland; and the Dunlap Institute at the University of Toronto, ontario, Canada, estimated the amount of water vapor in the planetary atmospheres based on sophisticated computer models and statistical techniques to explain the data.

The planets were selected because they orbit relatively bright stars that provide enough radiation for an infrared-light spectrum to be taken. Absorption features from the water vapor in the planet's atmosphere are superimposed on the small amount of starlight that glances through the planet's atmosphere.

Detecting water is almost impossible for transiting planets from the ground because Earth's atmosphere has a lot of water in it that contaminates the observation. "We really need the Hubble Space Telescope to make such observations," said Nicolas Crouzet of the Dunlap Institute at the University of Toronto and co-author of the study.

The currently accepted theory on how giant planets in our solar system formed is known as core accretion, in which a planet is formed around the young star in a protoplanetary disk made primarily of hydrogen, helium, and particles of ices and dust composed of other chemical elements. The dust particles stick to each other, eventually forming larger and larger grains. The gravitational forces of the disk draw in these grains and larger particles until a solid core forms. This core then leads to runaway accretion of both solids and gas to eventually form a giant planet.

This theory predicts that the proportions of the different elements in the planet are enhanced relative to those in their star, especially oxygen that is supposed to be the most enhanced. once the giant planet forms, its atmospheric oxygen is expected to be largely encompassed within water molecules. The very low levels of water vapor found by this research raises a number of questions about the chemical ingredients that lead to planet formation, say researchers.

"There are so many things we still don't know about exoplanets, so this opens up a new chapter in understanding how planets and solar systems form," said Drake Deming of the University of Maryland, who led one of the precursor studies. "The problem is that we are assuming the water to be as abundant as in our own solar system. What our study has shown is that water features could be a lot weaker than our expectations."

The findings are being published on July 24 in The Astrophysical Journal Letters.

CONTACT

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

Nikku Madhusudhan
Institute of Astronomy, University of Cambridge, United Kingdom
617-475-5112 (or 011-44-01223-766619)
nmadhu@ast.cam.ac.uk