청명한 대기를 지닌 외계행성 HAT-P-11b

 

Credit: NASA/JPL-Caltech

 

그림 1> 이 상상화는 자신의 별 전면을 지나는 외계행성 HAT-P-11b의 모습을 그린 것이다.
이 행성이 자신의 별 전면을 지날 때, 이 행성의 대기에 대해 더 많은 정보를 알기 위한 관측이 시행되었다.
식분광학(transmission spectroscopy), 또는 흡수선 분광학(absorption spectroscopy)이라고 알려져 있는 이러한 방법은 행성의 테두리 대기를 통과해 나오는 별빛을 이용하는 방법이다.
만약 그 대기에 수증기와 같은 분자가 존재한다면 이는 별빛의 특정 부분을 흡수하게 되고, 그 결과 망원경에 도착한 빛에서는 명확한 신호가 남겨지게 된다.
천문학자들은 이러한 기술을 활용하여 이 외계행성이 청명한 하늘을 가지고 있으며 수증기가 존재한다는 것을 발견해냈다.

 

청명한 대기를 지닌 외계행성 HAT-P-11b

 

천문학자들이 허블우주망원경과 스피처 우주망원경, 케플러 우주망원경을 이용하여 태양계 바깥의 외계행성으로서 청명한 하늘과 수증기를 가지고 있는 행성을 발견해냈다.

HAT-P-11b라는 이름의 이 외계행성은 해왕성 정도의 크기를 가지고 있어 지금까지 수증기가 발견된 외계행성으로는 가장 작은 규모를 가진 행성이 되었다.
이번 연구 결과는 2014년 9월 24일 네이처지 온라인 판에 개재되었다.
 

이번 발견은 지구와 동종에 속하며, 대기상에 분자를 보유하고 있는 작은 규모의 암석질 행성을 찾아가는 여정에 있어 이정표가 되는 발견이라 할 수 있다.

행성에서 대기상의 구름은 그 하부의 모습을 가로막게 된다.
낮은 고도의 대기에 대한 분자 구성은 행성의 조성과 역사에 대해 중요한 정보들을 밝히는 단서가 된다.

이번에 해왕성 크기의 행성이면서 청명한 하늘을 가진 행성의 발견은 선명한 가시성을 보여줄 수 있는 작은 규모의 행성을 발견하는데 있어 좋은 지표가 된다.

 

이번 논문의 주저자인 미국 매릴랜드 대학 조나단 프레인(Jonathan Fraine)의 소감은 다음과 같다.
"천문학자들이 망원경을 가지고 관측을 할 때, 이들이 말하는 '청명한 하늘'은 행운을 의미한다고 할 수 있습니다.
이번에 우리는 맑은 하늘을 가진 멀리 떨어진 외계행성을 발견했죠.
이런 경우 물분자의 모습을 막아서는 일체의 구름이 없기 때문에 우리로서는 정말 행운이라고 할 수 있답니다."

 

 

HAT-P-11b 는 외계해왕성(exo-Neptune)으로 분류되는 천체로서 이는 다른 별 주위를 공전하는 해왕성 크기의 외계행성을 의미한다.
이 행성은 백조자리 방향으로 120광년 거리에 위치하고 있다.
그러나 이 행성은 해왕성과는 달리 자신의 별에 가깝게 붙어있어 한 번 공전하는데 5일밖에 걸리지 않는다.

따라서 이 행성은 암석질 핵에 액체와 얼음의 맨틀을 가지고 있으며 두꺼운 가스 대기를 가진 뜨거운 행성일 것으로 생각되고 있다.

 

지금까지는 이 행성의 성분 외에는 다른 외계해왕성들과 마찬가지로 알려진 것은 거의 없다.
이와 같은 행성의 대기를 분석하는 와중에 사용되는 정보 중 하나는 행성의 크기이다.

 

관측과 연구가 비교적 쉬운 보다 큰 규모를 가진 목성형 행성의 경우, 몇몇 행성들에서 대기상의 수증기가 이미 포착된 바 있다.
그러나 이보다 작은 크기를 가진 행성들은 탐사해내기가 쉽지않다. 그리고 이 작은 행성들 대부분에서는 구름낀 대기가 관측되었다.

 

연구팀은 허블의 WFC3와 식분광학(transmission spectroscopy)이라 불리는 기술을 이용하여 행성이 자신의 별 전면을 지날 때 이를 관측하였다.

별로부터 발생한 빛은 행성 가장 자리의 대기를 통과하면서 망원경에 닿게 된다.

만약 그 대기에 수증기와 같은 분자가 존재한다면 이는 별빛의 특정 부분을 흡수하게 되고, 그 결과 망원경에 도착한 빛에서는 명확한 신호가 남겨지게 된다.

 

연구팀의 일원인 캠브리지 대학 니쿠 마두수단( Nikku Madhusudhan)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 HAT-P-11b가 구름에 덮혀 있을지 여부에 대한 선행 지식이 전혀 없는 채로 이 행성의 대기를 관측하기 시작했습니다.
그리고 식분광학 기술을 이용하여 이 행성에서 수증기를 발견할 수 있었죠.
이러한 사실은 이 행성이 전혀 두꺼운 구름에 의해 차단되어 있지 않으며 우리가 좀더 청명한 대기 상태를 가진 비교적 작은 크기의 행성을  발견할 수 있을 거라는 희망적인 소식이 된다고 할 수 있습니다. 정말 획기적인 일이라 할 수 있죠."

 

연구팀은 자신들의 발견을 자축하기 전에 이 수증기의 근원이 행성이며 이 행성이 돌고 있는 별의 온도가 낮은 흑점에서 연유된 것이 아니라는 것을 확실하게 조사하였다.

다행스럽게도 케플러 우주망원경은 HAT-P-11b가 위치하는 하늘의 영역을 관측한 바 있었다.
이러한 가시광 관측 데이터들은 이 행성을 겨냥하여 획득한 스피처우주망원경의 자료와 결합되었다.
이러한 일련의 데이터를 비교검증한 결과 천문학자들은 이 별의 흑점이 수증기를 품고 있기에는 너무나 뜨거운 온도를 가지고 있으며 따라서 이번에 감지된 수증기는 행성에 속한다는 사실을 확정할 수 있었다.

 

HAT-P-11b에 대한 세 개 우주망원경의 관측 데이터는 이 행성이 수증기와 수소가스, 그리고 아직은 그 정체가 식별되지 않은 분자에 의해 뒤덮여 있음을 보여주었다.

따라서 이번에 발견된 행성은 단순히 대기상에 수증기를 가지고 있는 행성으로서는 가장 작은 행성이 될 뿐만 아니라 분광학 기술을 활용하여 분자의 존재가 직접적으로 관측된 가장 작은 행성이 되기도 하였다[1].

이론천문학자들은 이 행성의 조성과 기원을 설명하기 위해 새로운 행성 모델을 수립하게 될 것이다.

 

비록 HAT-P-11b가 외계해왕성으로 불리기는 하지만 사실 이 행성은 태양계의 어떤 행성과도 닮지 않았다.
외계해왕성들은 각각 자신의 형성 역사를 반영하는 다양한 성분의 대기를 가지고 있을 것으로 생각되고 있다.

이번 발견과 같은 새로운 발견들은 천문학자들로 하여금 이 머나먼 세계의 기원에 대한 각각의 이론들을 한데 합칠 수 있도록 도와줄 것이다.

 

이번 논문의 공동저자인 매릴랜드 대학 드레이크 데밍(Drake Deming)은 자신들의 작업이 뜨거운 목성형 행성에서 외계해왕성 급의 행성으로 가는 일련의 선상에 존재하는 것이며, 다양한 유형의 외계행성에 대한 지식을 넓혀가길 희망한다고 말했다.

 

천문학자들이 앞으로 좀더 많은 외계해왕성에 대한 탐사를 계획하고 있으며 동일한 방법을 보다 규모가 작은 슈퍼지구급 행성 - 암석질로 구성되어 있으며 질량은 지구의 10배 범위에 해당하는 행성 - 에도 적용할 수 있기를 희망하고 있다.

 

우리 태양계에는 슈퍼지구급의 행성은 존재하지 않지만 다른 망원경들은 다른 별들 주위를 공전하고 있는 슈퍼지구급의 행성에 대한 발견을 계속하고 있다.
이들은 2018년 발사가 예정되어 있는 제임스 웹 우주망원경을 통해 수증기나 다른 분자들의 흔적을 발견하기 위한 대상이 될 것이다.

 

그러나 대양의 존재와 생명체의 서식이 가능한 외계행성의 얘기는 완전히 다른 얘기이다.
이러한 작업은 향후 슈퍼지구급의 행성이나 이보다도 훨씬 작은 행성을 연구하는데 있어 대단히 중요한 요소이기도 하다.
이러한 작업들은 천문학자들이 행성의 구성 분자를 탐지하기에 충분할만큼 청명한 대기를 가진 행성을 우선 선정하는데 도움을 줄 수 있을 것이다.
따라서 다시금 천문학자들은 청명한 하늘을 위한 기도를 계속할 것이다.

 

Credit: NASA/JPL-Caltech

 

그림 2> 이 상상화는 외계행성에서 바라본 하늘의 모습을 묘사해본 것이다.
왼쪽은 대기상에 두꺼운 구름을 가지고 있는 행성이며 오른쪽은 청명한 하늘을 가진 행성의 모습이다.
아마도 HAT-P-11b 행성의 하늘은 오른쪽과 같은 모습일 것이다.
해왕성 크기의 몸집을 가진 이 행성은 최근 연구를 통해 청명한 하늘을 가지고 있음이 밝혀졌다.
대기상의 구름은 그 아래에 존재하는, 행성의 조성과 역사에 대한 정보를 밝혀줄 수 있는 분자의 모습을 차폐하기 때문에 청명한 하늘을 가진 행성을 찾는 것은 대단히 유용한 작업이 된다.

 

 

 

Credit: NASA, ESA, J. Fraine

 

사진 1> 허블 우주망원경의 WFC3로 촬영된 이 사진은 HAT-P-11 별의 모습을 담고 있다.
물론 사진에서는 이 별의 주위를 돌고 있는 해왕성 크기의 외계행성 HAT-P-11b의 모습이 보이지는 않는다.
천문학자들은 이 행성에 청명한 하늘과 수증기가 존재하고 있음을 발견하였다.
이에 따라서 이 행성은 수증기가 탐색된 행성으로는 가장 작은 행성이 되었다.
사진에서 밝은 별 바로 옆에 보이는 수수께끼의 밝은 점은 행성이 아니며 또 다른 별일 뿐이다.
해상도의 한계로 인해 이 사진은 짧은 노출을 이용하여 촬영되었다.
 자체가 무척 밝아 사진을 가득 채우는듯 보이는데, 그 빛이 충분히 밝지 않았다면 바로 옆에 있는 희미한 별처럼 작은 점으로 보였을 것이다.

별 주위의 고리나 방사상의 빛은 망원경 내부의 회절 현상에 의해 발생한 것이다.

 

Credit: NASA, ESA, Digitized Sky Survey 2,  Acknowledgement: Davide De Martin

 

사진 2> 지상에 위치한 망원경으로 촬영된 이 사진은 HAT-P-11별이 포함된 지역을 촬영한 것이다.

 

각주

[1] 수소 분자는 HAT-P-11b보다도 훨씬 적은 규모의 행성들을 포함하여 많은 행성들에 존재할 것으로 추론되고 있지만, 아직까지 작은 규모를 가진 행성에서 시행된 분광자료에서는 일체 분자들이 검출되지 않았다.

 
 
출처 : 유럽우주국(ESA) 허블 2014년 9월 24일 발표 뉴스
         http://www.spacetelescope.org/news/heic1420/         

 

참고 : HAT-P-11b를 비롯한 각종 외계행성에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346973

 

 

원문>

Clear skies on exo-Neptune

Smallest exoplanet ever found to have water vapour

24 September 2014

 

Astronomers using data from the NASA/ESA Hubble Space Telescope, the Spitzer Space Telescope, and the Kepler Space Telescope have discovered clear skies and steamy water vapour on a planet outside our Solar System. The planet, known as HAT-P-11b, is about the size of Neptune, making it the smallest exoplanet ever on which water vapour has been detected. The results will appear in the online version of the journal Nature on 24 September 2014.

The discovery is a milestone on the road to eventually finding molecules in the atmospheres of smaller, rocky planets more akin to Earth. Clouds in the atmospheres of planets can block the view of what lies beneath them. The molecular makeup of these lower regions can reveal important information about the composition and history of a planet. Finding clear skies on a Neptune-size planet is a good sign that some smaller planets might also have similarly good visibility.

"When astronomers go observing at night with telescopes, they say 'clear skies' to mean good luck," said Jonathan Fraine of the University of Maryland, USA, lead author of the study. "In this case, we found clear skies on a distant planet. That's lucky for us because it means clouds didn't block our view of water molecules."

HAT-P-11b is a so-called exo-Neptune — a Neptune-sized planet that orbits another star. It is located 120 light-years away in the constellation of Cygnus (The Swan). Unlike Neptune, this planet orbits closer to its star, making one lap roughly every five days. It is a warm world thought to have a rocky core, a mantle of fluid and ice, and a thick gaseous atmosphere. Not much else was known about the composition of the planet, or other exo-Neptunes like it, until now.

Part of the challenge in analysing the atmospheres of planets like this is their size. Larger Jupiter-like planets are easier to observe and researchers have already been able to detect water vapour in the atmospheres of some of these giant planets. Smaller planets are more difficult to probe — and all the smaller ones observed to date have appeared to be cloudy.

The team used Hubble's Wide Field Camera 3 and a technique called transmission spectroscopy, in which a planet is observed as it crosses in front of its parent star. Starlight filters through the rim of the planet's atmosphere and into the telescope. If molecules like water vapour are present, they absorb some of the starlight, leaving distinct signatures in the light that reaches our telescopes.

"We set out to look at the atmosphere of HAT-P-11b without knowing if its weather would be cloudy or not," said Nikku Madhusudhan, from the University of Cambridge, UK, part of the study team. "By using transmission spectroscopy, we could use Hubble to detect water vapour in the planet. This told us that the planet didn't have thick clouds blocking the view and is a very hopeful sign that we can find and analyse more cloudless, smaller, planets in the future. It is groundbreaking!"

Before the team could celebrate they had to be sure that the water vapour was from the planet and not from cool starspots — "freckles" on the face of stars — on the parent star. Luckily, Kepler had been observing the patch of sky in which HAT-P-11b happens to lie for years. Those visible-light data were combined with targeted infrared Spitzer observations. By comparing the datasets the astronomers could confirm that the starspots were too hot to contain any water vapour, and so the vapour detected must belong to the planet.

The results from all three telescopes demonstrate that HAT-P-11b is blanketed in water vapour, hydrogen gas, and other yet-to-be-identified molecules. So in fact it is not only the smallest planet to have water vapour found in its atmosphere but is also the smallest planet for which molecules of any kind have been directly detected using spectroscopy [1]. Theorists will be drawing up new models to explain the planet's makeup and origins.

Although HAT-P-11b is dubbed as an exo-Neptune it is actually quite unlike any planet in our Solar System. It is thought that exo-Neptunes may have diverse compositions that reflect their formation histories. New findings such as this can help astronomers to piece together a theory for the origin of these distant worlds.

"We are working our way down the line, from hot Jupiters to exo-Neptunes," said Drake Deming, a co-author of the study also from University of Maryland, USA. "We want to expand our knowledge to a diverse range of exoplanets."

The astronomers plan to examine more exo-Neptunes in the future, and hope to apply the same method to smaller super-Earths — massive, rocky cousins to our home world with up to ten times the mass of Earth. Our Solar System does not contain a super-Earth, but other telescopes are finding them around other stars in droves and the NASA/ESA James Webb Space Telescope, scheduled to launch in 2018, will search super-Earths for signs of water vapour and other molecules. However, finding signs of oceans and potentially habitable worlds is likely a way off.

This work is important for future studies of super-Earths and even smaller planets. It could allow astronomers to pick out in advance the planets with atmospheres clear enough for molecules to be detected. once again, astronomers will be crossing their fingers for clear skies.

Notes

[1] Molecular hydrogen has been inferred to exist in many planets, including planets smaller than HAT-P-11b, but no molecule has actually been detected, using spectroscopy, in a planet this small, until now.

Notes for editors

The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between ESA and NASA.

The international team of astronomers in this study consists of J. Fraine (University of Maryland, USA; Pontificia Universidad Católica de Chile, Chile; California Institute of Technology, USA); D. Deming (University of Maryland, USA; NASA Astrobiology Institute, USA); B. Benneke (California Institute of Technology, USA); H. Knutson (California Institute of Technology, USA); A. Jordán (Pontificia Universidad Católica de Chile, Chile); N. Espinoza (Pontificia Universidad Católica de Chile, Chile); N. Madhusudhan (University of Cambridge, UK); A. Wilkins (University of Maryland, USA); K. Todorov (ETH Zürich, Switzerland)

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Image credit: NASA/JPL-Caltech

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Jonathan Fraine
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Drake Deming
University of Maryland
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