외계행성 WASP-43b 의 온도 및 수증기 분포지도를 작성하다.

 

Credit: NASA, ESA, and K. Stevenson, L. Kreidberg, and J. Bean (University of Chicago)

 

그림 1> 이 그림은 외계행성 WASP-43b 의 온도지도를 담고 있다.
이 가스행성은 자신의 별에 바짝 붙어 19.5시간을 주기로 공전하고 있다.
이 행성은 항상 동일한 면을 자신의 별로 향하고 있기 때문에 주간반구와 야간반구 사이에 극심한 온도차이가 존재한다.
하얀색으로 표현된 부분은 주간반구로 이곳의 온도는 섭씨 1530도에 달한다.
반면 야간 반구의 온도는 섭씨 530도 아래로 떨어진다.  
이러한 급격한 차이는 항상 일정한 온도를 유지하고 있는 우리 태양계의 거대 행성과는 극명한 차이를 보이는 부분이다. 
허블우주망원경을 이용하여 수행한 적외선 관측에서는 위도와 경도에 따라 온도가 어떻게 변화하는지를 포착해냈다.

 

외계행성 WASP-43b 의 온도 및 수증기 분포지도를 작성하다.

 

과학자들이 허블우주망원경을 이용하여 외계행성 대기의 온도와 수증기의 비밀을 밝혀주는 가장 상세한 지도를 작성했다.
이 지도는 이 외계행성 대기의 서로 다른 층위에 존재하는 온도에 대한 정보와 수증기의 분포량에 대한 정보를 제공해주고 있다.
이번 발견은 목성과 같은 가스행성의 형성과 대기역학의 이해해 대한 세부적인 정보를 제공해주게 되었다.

 

연구팀의 리더인 시카고 대학 제이콥 빈(Jacob Bean)은 이번 측정치가 비교 행성학이라는 새로운 장을 열어젖힌 것이라 할 수 있다고 평가했다.

 

또한 연구팀의 일원인 시카고 대학의 케빈 스티븐슨( Kevin Stevenson)의 설명은 다음과 같다.

"우리의 관측은 뜨거운 외계행성의 대기순환구조와 역학적 모델을 한정하는데 사용될 수 있는  외계행성의 온도구조에 대해 이차원상의 지도를 제공하는 최초의 사례를 남긴 것이라 할 수 있습니다.

 

허블이 관측한 WASP-43b 라는 이름의 행성은 생명체의 서식이 가능한 행성은 아니다.
이곳은 주간 반구에서는 강철도 녹일만큼의 온도인 섭씨 1640도의 뜨거운 바람이 음속으로 휘몰아치고 있으며 칠흑같은 어둠을 지닌 야간 반구의 온도는 상대적으로 이보다는 훨씬 낮은 537도 이하의 온도로 끓고 있는 세상이다.

 

주로 수소로 이루어진 이 뜨거운 구체의 행성은 대양이나 대륙처럼 자전을 추적할만한 표면 구조물이 전혀 존재하지 않는 곳이기도 하다.
그저 야간 반구와 주간 반구에 존재하는 심각한 온도차이가 멀리 떨어진 관측자에게 하루의 변화를 알 수 있게 해 줄 뿐이다.

 

WASP-43b는 260광년 거리에 위치하고 있으며 2011년에 처음으로 발견되었다.
WASP-43b는 너무나 멀리 떨어져 있어 사진을 찍을 수는 없지만 그 공전궤도가 지구를 향하고 있어, 천문학자들은 이 행성이 자신의 별 전면을 지날 때 별빛이 주기적으로 변화하는 패턴을 통해 이 행성을 감지할 수 있는 상태이다.

 

이 행성의 크기는 목성과 거의 동일한 크기이지만 그 질량의 목성 질량의 두 배에 육박하고 있다.
이 행성이 오렌지색의 난장이 별인 자신의 별에 너무나 가깝게 붙어있어 한 번 공전하는 주기는 19시간 밖에 되지 않는다.
또한 이 행성은 자신의 별에 중력적으로 잠겨있는 상태여서 마치 달이 항상 동일한 면만을 지구로 향하고 있듯 동일한 면을 자신의 별쪽으로 향하고 있다.

 

 

Credit: NASA, ESA, K. Stevenson, L. Kreidberg, and J. Bean (University of Chicago), and Z. Levay (STScI)

 

과학자들은 이전에 수행된 외계행성 분석의 두 가지 방법을 결합하여 WASP-43b의 대기에 대한 연구에 처음으로 활용하였다.

분광분석 자료는 과학자들로 하여금 이 행성의 수증기 분포와 대기상의 온도 구조를 결정지을 수 있게 해 주었다.
또한 행성의 자전 양상을 관측함으로써 천문학자들은 서로 다른 경도 상에서 나타나는 수증기의 분포와 온도 변화양상을 측정할 수 있었다.

 

우리 태양계에는 이처럼 별빛에 끓고 있는 행성이 존재하지 않기 때문에 이처럼 괴상한 외계행성의 대기구조를 규명하는 것은 행성의 형성과 행성 물리학을 더 잘 이해하는데 독보적인 실험실을 제공받는 것이라 할 수 있다.

 

연구팀의 일원인 시카고 대학의 로라 크라이드버그(Laura Kreidberg)는 이 행성은 너무나 뜨거워서 물이 목성처럼 얼음 구름으로 존재하지 않고 대기상에 수증기 상태로 존재하고 있다고 말했다.

 

역시 연구팀의 일원인 캘리포니아 대학 조나단 포트니(Jonathan Fortney)의 설명은 다음과 같다.
"혜성과 같은 천체가 갓 생성된 행성에 충돌하면서 배달해준 물과 또다른 분자들의 상당부분을 우리가 관측할 수 있는 것이죠.

물은 거대 행성의 형성에 있어서 핵심적인 역할을 수행하는 것으로 생각됩니다." 
 

그러나 우리 태양계에 존재하는 거대 행성에서의 물분포에 대해 알려진 것은 거의 없다.
왜냐하면 우리 태양계의 거대 행성들의 경우 물은 얼음형태로 존재하며 상층 대기에서는 거의 관측되지 않기 때문이다.

 

그러나 목성과 같은 거대 행성에 속하는 이 "뜨거운 목성형 행성"의 경우 자신의 별에 매우 가까이 위치하고 있어 높은 표면 온도를 가지고 있으며 이로서 물은 수증기 상태로 존재하고 이를 쉽게 추적할 수 있게 된다.

 

크라이드버그는 자신의 팀이 단순히 WASP-43b의 대기에서 수증기를 감지하는 것에 그친 것이 아니라 이들이 얼마나 존재하는지 그리고 경도에 따른 분포가 어떻게 되는지를 정확하게 측정해 냈다는 점을 강조하였다.

 

거대 행성이 어떻게 형성되는지를 이해하기 위해 천문학자들은 서로 다른 원소들을 얼마나 품고 있는지를 알고 싶어한다.
연구팀은 우리 태양과 동일한 화학적 조성을 가지고 있는 천체로부터 예상된 수증기의 양과 동일한 수증기 양을 WASP-43b에서 발견해냈다.
크라이드버그는 이러한 사실이 행성의 형성에 있어 기본이 되는 부분이 있다는 점을 시사해주는 것이라고 말했다.

 

천문학자들은 사상처음으로 4일에 걸쳐 발생한 세 번의 자전을 관측할 수 있었다.
콜로라도 대학의 진-마이클 데서트(Jean-Michel Desert)에 따르면 이러한 과정에서 정확한 측정을 수행할 수 있었다고 말했다.

 

연구팀의 다음 목표는 또다른 행성들의 화학적 조성을 탐사하여 수증기의 분포를 측정하는데 있다.
허블의 다음 망원경으로 계획되고 있는 제임스 웹 우주망원경은 수증기의 분포뿐 아니라 행성의 온도에 따른 일산화탄소와 이산화탄소, 암모니아와 메탄의 분포 또한 관측할 수 있을 것이다.

 

이번 연구 결과는 두 개의 논문으로 정리되었으며 그 중 하나는 10월 9일 사이언스 익스프레스 온라인판에 개재되었고, 다른 하나는 9월 12일 발행된 아스트로피지컬 저널에 개재되었다.  
 
 

* 출처 : 허블사이트 2014년 10월 9일 발표 뉴스
           http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2014/28/

참고 : WASP-43b를 비롯한 다양한 외계행성 및 원시행성원반에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346973

 

 

원문>

News Release Number: STScI-2014-28

Hubble Maps the Temperature and Water Vapor on an Extreme Exoplanet

A team of scientists using NASA's Hubble Space Telescope have made the most detailed global map yet of the glow from a planet orbiting another star, revealing secrets of air temperatures and water.

The map provides information about temperatures at different layers of the world's atmosphere and traces the amount and distribution of water vapor on the planet. The findings have ramifications for the understanding of atmospheric dynamics and the formation of giant planets like Jupiter.

"These measurements have opened the door for a new kind of comparative planetology," said team leader Jacob Bean of the University of Chicago.

"Our observations are the first of their kind in terms of providing a two-dimensional map of the planet's thermal structure that can be used to constrain atmospheric circulation and dynamical models for hot exoplanets," said team member Kevin Stevenson of the University of Chicago.

The Hubble observations show that the planet, called WASP-43b, is no place to call home. It's a world of extremes, where seething winds howl at the speed of sound from a 3,000-degree-Fahrenheit day side that is hot enough to melt steel to a pitch-black night side that sees temperatures plunge below a relatively cool 1,000 degrees Fahrenheit.

As a hot ball of predominantly hydrogen gas, there are no surface features on the planet, such as oceans or continents that can be used to track its rotation. only the severe temperature difference between the day and night sides can be used by a remote observer to mark the passage of a day on this world.

WASP-43b is located 260 light-years away and was first discovered in 2011. WASP-43b is too distant to be photographed, but because its orbit is observed edge-on to Earth, astronomers detected it by observing regular dips in the light of its parent star as the planet passes in front of it.

The planet is about the same size as Jupiter, but is nearly twice as massive. The planet is so close to its orange dwarf host star that it completes an orbit in just 19 hours. The planet is also gravitationally locked so that it keeps one hemisphere facing the star, just as our moon keeps one face toward Earth.

The scientists combined two previous methods of analyzing exoplanets and put them together in one for the first time to study the atmosphere of WASP-43b. Spectroscopy allowed them to determine the water abundance and temperature structure of the atmosphere. By observing the planet's rotation, the astronomers were also able to measure the water abundances and temperatures at different longitudes.

Because there's no planet with these tortured conditions in our solar system, characterizing the atmosphere of such a bizarre world provides a unique laboratory for better understanding planet formation and planetary physics. "The planet is so hot that all the water in its atmosphere is vaporized, rather than condensed into icy clouds like on Jupiter," said team member Laura Kreidberg of the University of Chicago.

"Water is thought to play an important role in the formation of giant planets, since comet-like bodies bombard young planets, delivering most of the water and other molecules that we can observe," said Jonathan Fortney, a member of the team from the University of California, Santa Cruz.

However, the water abundances in the giant planets of our solar system are poorly known because water is locked away as ice that has precipitated out of their upper atmospheres. But on "hot Jupiters" — that is, large planets like Jupiter that have high surface temperatures because they orbit very close to their stars — water is in a vapor that can be readily traced. Kreidberg also emphasized that the team didn't simply detect water in the atmosphere of WASP-43b, but also precisely measured how much of it there is and how it is distributed with longitude.

In order to understand how giant planets form, astronomers want to know how enriched they are in different elements. The team found that WASP-43b has about the same amount of water as we would expect for an object with the same chemical composition as the Sun. Kreidberg said that this tells something fundamental about how the planet formed.

For the first time astronomers were able to observe three complete rotations of a planet, which occurred during a span of four days. This was essential to making such a precise measurement according to Jean-Michel Désert of the University of Colorado, Boulder.

The team next aims to make water-abundance measurements for different planets to explore their chemical abundances. Hubble's planned successor, the James Webb Space Telescope, will be able to not only measure water abundances, but also the abundances of carbon monoxide, carbon dioxide, ammonia, and methane, depending on the planet's temperature.

The results are presented in two new papers, one published online in Science Express on Oct. 9, and the other published in The Astrophysical Journal Letters on Sept. 12.

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Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
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villard@stsci.edu