페가수스 51b (51 Pegasi b) : 가시광 스펙트럼이 직접적으로 탐지된 최초의 외계행성

 

Credit:ESO/M. Kornmesser/Nick Risinger (skysurvey.org)

 

그림 1>

이 상상화는 뜨거운 목성형에 해당하는 외계행성 페가수스 51b (51 Pegasi b)를 그린 것이다. 
간혹 벨레로폰(Bellerophon)이라는 이름으로 불리기도 하는 이 행성은 북반구의 별자리 페가수스 방향으로 50광년 거리에 위치한 별 주위를 공전하고 있다.

이 행성은 1995년, 일반적인 보통 별 주위를 공전하는 외계행성으로는 처음으로 발견된 행성이다.

20년이 지난 후 이 천체는 처음으로 가시광선 분광데이터가 직접적으로 탐지된 첫번재 외계행성이 되었다.

 

 

페가수스 51b (51 Pegasi b) : 가시광 스펙트럼이 직접적으로 탐지된 최초의 외계행성

 

 

천문학자들이 칠레 ESO 라실라 천문대의 HARPS 행성 탐사장비를 이용하여 사상 처음으로 외계행성으로부터 반사되어 나온 가시광 스펙트럼을 직접적으로 감지해냈다.
또한 이번 관측은 평범한 별 주위에서 발견된 첫번째 외계행성으로 유명한 페가수스 51b 행성(51 Pegasi b)의 새로운 속성을 밝혀내주기도 했다.

이번 결과는 VLT에 장착되는 ESPRESSO나 E-ELT와 같은 차세대 장비 및 망원경의 출현과 관련하여 향후 이와 같은 기술이 만들어갈 흥미로운 미래를 약속하는 것이기도 하다.

 

 

외계행성 페가수스 51b[1] 는 페가수스 자리 방향으로 지구로부터 50광년 거리에 위치하고 있다.
1995년 발견된 이 외계행성은 우리 태양과 같은 평범한 별 주위에서 발견된 최초의 외계행성으로서 영원히 기억될 행성이다.[2]

 

 

Credit:ESO, IAU and Sky & Telescope

 

표1> 이 표는 북반구의 거대한 별자리인 페가수스 자리를 보여주고 있다.

평범하기만 한 희미한 별 페가수스 51 별이 붉은 색 원으로 표시되어 있다. 
맨눈으로도 희미하게 볼 수 있는 이 별에서 보통 별 주위를 공전하는 행성으로는 처음으로  페가수스 51b가 발견되었다.

 

이 행성은 또한 뜨거운 목성의 전형으로 간주되고 있는 행성이다.
이 유형의 행성은 상대적으로 자주 발견되는 일반적인 유형의 행성 유형으로서 크기와 질량은 목성과 유사하지만 자신의 별에 훨씬 바짝 다가서 있는 행성을 의미한다.

이 기념비적인 발견이래 지금까지 1200여 개의 행성계에서 1900개 이상의 행성이 확정되었다.
그런데 이번에 페가수스 51b 행성이 자신의 발견 20주년을 기념하듯 외계행성 연구에서 있어 또 하나의 진보를 이뤄내며 돌아왔다.

 

이번 발견을 이끈 연구팀은 포르투갈 포르투 대학 및 천체물리와 우주과학 연구소 소속이며 현재 ESO 박사 과정에 있는 조지 마르틴(Jorge Martins)이 이끌고 있다.

 

연구팀은 칠레 라 실라 천문대에 있는 ESO 3.6미터 망원경에 장칙된 HARPS 장비를 이용하였다.

현재 외계행성의 대기를 관측하는 방법으로써 가장 널리 쓰이는 방법은 외계행성이 별의 전면을 지나는 동안 행성의 대기를 통과한 별빛의 스펙트럼을 관측하는 방법으로써 이 기술은 식분광기술(transmission spectroscopy)로 알려져 있다.

외계행성계를 관측하는 또다른 접근방법은 별이 행성의 전면을 지나갈 때를 관측하는 것으로서 이는 주로 외계행성의 온도 정보를 얻기 위한 목적으로 사용된다.

 

그러나 새로운 기술은 이 행성계의 식현상에 의존하지 않으며 따라서 보다 더 많은 외계행성을 연구하는데 적용될 수 있다.

이 기술은 직접적으로 가시광선 영역에서 행성의 스펙트럼을 볼 수 있게 해주는데 이는 다른 기술로는 접근이 불가능한, 행성의 다양한 특징이 추정될 수 있음을 의미하는 것이다.

행성을 거느린 별의 스펙트럼은 공전궤도를 그리는 행성으로부터 반사되어 나올 것으로 보이는 유사한 특색을 가진 빛을 찾아내기 위한 모형으로 사용된다.

이러한 작업은 행성이 엄청난 빛을 쏟아내는 자신의 별보다 비교도할 수 없을정도로 흐리기 때문에 극도로 어려운 작업이다.

또한 행성으로부터 방출된 복사는 다른 잡빛의 미세한 영향에도 쉽게 압도당할 수 있다. [3]

 

이러한 어려움에 직면한 상황에서  HARPS가 페가수스  51b 의 데이터를 수집할 때 적용한 기술의 성공은 대단히 유용한 개념증명을 제공하는 것이다.

 

조지 마틴의 설명은 다음과 같다.
"이러한 유형의 탐지 기술은 우리로 하여금 행성의 실제 질량과 공전궤도의 기울기 등을 측정할 수 있게 해주기 때문에 대단히 훌륭한 과학적 중요성을 가지고 있습니다. 이러한 요소들은 특정 외계행성계를 보다 완벽하게 이해하는데 있어 핵심이 되는 정보들이죠. 또한 이 기술은 행성의 반사계수를 측정할 수 있게도 해 줍니다. 이는 행성의 표면과 대기의 조성을 추정하는데 사용될 수 있는 정보입니다."
 

 

페가수스  51 b의 질량은 목성 질량의 반 정도이며 그 공전궤도는 지구를 향해 9도 정도 기울어져 있다[4].

이 행성은 또한 목성보다 더 큰 지름을 가진 것으로 보이며 훨씬 높은 반사계수를 가지고 있다.

이러한 성질은 자신의 별에 대단히 가까이 있어 강력한 별빛에 노출되어 있는 뜨거운 목성 유형 행성의 전형적인 속성에 해당한다.

HARPS는 연구팀의 작업에 있어서는 핵심이 되는 장비였다. 그러나 사실 측정자료는 ESO 3.6미터 망원경을 이용하여 얻을 수 있었는데 이 망원경은 이번에 사용된 기술의 적용에 있어서 제한된 운용만이 가능했다.

그런데 바로 이 사실이 천문학자들을 흥분시키는 뉴스가 된다.

이와 같이 현존하는 장비들의 성능은 ESO의 초거대망원경(Very Large Telescope, 이하 VLT)이나 앞으로 계획되어 있는 유럽 초대형망원경(the European Extremely Large Telescope, 이하 E-ELT)[5]과 같은 훨씬 더 진보되고, 훨씬 더 큰 망원경에 장착된 장비의 성능에 의해 추월당할 것이다.

 

이번 논문의 공동저자인 토르투 대학 및 천체물리와 우주과학 연구소의 뉴노 산토스( Nuno Santos)의 소감은 다음과 같다.
"지금 우리는 VLT에 장착된 ESPRESSO 분광기의 첫 관측을 고대하고 있습니다.
 이를 통해서 이 행성과 또다른 행성계를 보다 세밀하게 연구할 수 있게 될 것입니다."

 

 

 

Credit:ESO/Digitized Sky Survey 2

 

사진 1> 이 사진은 북반구의 별자리 페가수스 자리의 페가수스 51 별과 그 주위의 모습을 보여주고 있다.

이 사진은 DSS2의 일환으로 촬영된 사진들로 만들어진 것이다.

 

 

각주

[1] 외계행성 페가수스 51 b 와 이 행성의 별인 페가수스 51 별은

현재 IAU의 외계천체 이름짓기 컨테스트에 게시된 천체이기도 하다.

참고 : http://www.nameexoworlds.org/

[2] 그 이전에 두 개의 행성이 발견되긴 했지만 이들은 모두 극단적인 환경을 가진 펄서 주위에서 발견되었다.

 

[3] 이 도전은 멀리 떨어진 밝은 가로등 주위를 날고 있는, 아주 작은 곤충에 반사된 희미한 빛을 연구하는 것과 같다.

[4] 비록 이 행성이 식현상을 일으킬만큼 우리와 가까운 것은 아니지만

이것이 의미하는 것은 행성의 공전궤도가 지구를 향해 거의 모로 서있다는 것을 의미하는 것이다. 
   

[5] VLT에 장착된 ESPRESSO 와 E-ELT와 같은 훨씬 더 큰 규모를 자랑하게 될 망원경에 탑재될 후세대의 강력한 장비들은 더 작은 외계행성을 목표로 한 관측에서 더 발전한 정확도와 데이터 수집능력을 보이게 될 것이며 페가수스 51 b와 유사한 행성에 대한 정밀한 정보들을 제공하게 될 것이다.    
   

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2015년 4월 22일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1517/

 

 

참고 : 페가수스 51b를 비롯한 각종 외계행성에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346973

 

원문>

eso1517 — Science Release

First Exoplanet Visible Light Spectrum

New technique paints promising picture for future

22 April 2015

Astronomers using the HARPS planet-hunting machine at ESO’s La Silla Observatory in Chile have made the first-ever direct detection of the spectrum of visible light reflected off an exoplanet. These observations also revealed new properties of this famous object, the first exoplanet ever discovered around a normal star: 51 Pegasi b. The result promises an exciting future for this technique, particularly with the advent of next generation instruments, such as ESPRESSO, on the VLT, and future telescopes, such as the E-ELT.

The exoplanet 51 Pegasi b [1] lies some 50 light-years from Earth in the constellation of Pegasus. It was discovered in 1995 and will forever be remembered as the first confirmed exoplanet to be found orbiting an ordinary star like the Sun [2]. It is also regarded as the archetypal hot Jupiter — a class of planets now known to be relatively commonplace, which are similar in size and mass to Jupiter, but orbit much closer to their parent stars.

Since that landmark discovery, more than 1900 exoplanets in 1200 planetary systems have been confirmed, but, in the year of the twentieth anniversary of its discovery, 51 Pegasi b returns to the ring once more to provide another advance in exoplanet studies.

The team that made this new detection was led by Jorge Martins from the Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) and the Universidade do Porto, Portugal, who is currently a PhD student at ESO in Chile. They used the HARPS instrument on the ESO 3.6-metre telescope at the La Silla Observatory in Chile.

Currently, the most widely used method to examine an exoplanet’s atmosphere is to observe the host star’s spectrum as it is filtered through the planet’s atmosphere during transit — a technique known as transmission spectroscopy. An alternative approach is to observe the system when the star passes in front of the planet, which primarily provides information about the exoplanet’s temperature.

The new technique does not depend on finding a planetary transit, and so can potentially be used to study many more exoplanets. It allows the planetary spectrum to be directly detected in visible light, which means that different characteristics of the planet that are inaccessible to other techniques can be inferred.

The host star’s spectrum is used as a template to guide a search for a similar signature of light that is expected to be reflected off the planet as it describes its orbit. This is an exceedingly difficult task as planets are incredibly dim in comparison to their dazzling parent stars.

The signal from the planet is also easily swamped by other tiny effects and sources of noise [3]. In the face of such adversity, the success of the technique when applied to the HARPS data collected on 51 Pegasi b provides an extremely valuable proof of concept.

Jorge Martins explains: “This type of detection technique is of great scientific importance, as it allows us to measure the planet’s real mass and orbital inclination, which is essential to more fully understand the system. It also allows us to estimate the planet’s reflectivity, or albedo, which can be used to infer the composition of both the planet’s surface and atmosphere.”

51 Pegasi b was found to have a mass about half that of Jupiter’s and an orbit with an inclination of about nine degrees to the direction to the Earth [4]. The planet also seems to be larger than Jupiter in diameter and to be highly reflective. These are typical properties for a hot Jupiter that is very close to its parent star and exposed to intense starlight.

HARPS was essential to the team’s work, but the fact that the result was obtained using the ESO 3.6-metre telescope, which has a limited range of application with this technique, is exciting news for astronomers. Existing equipment like this will be surpassed by much more advanced instruments on larger telescopes, such as ESO’s Very Large Telescope and the future European Extremely Large Telescope [5].

"We are now eagerly awaiting first light of the ESPRESSO spectrograph on the VLT so that we can do more detailed studies of this and other planetary systems,” concludes Nuno Santos, of the IA and Universidade do Porto, who is a co-author of the new paper.

Notes

[1] Both 51 Pegasi b and its host star 51 Pegasi are among the objects available for public naming in the IAU’s NameExoWorlds contest.

[2] Two earlier planetary objects were detected orbiting in the extreme environment of a pulsar.

[3] The challenge is similar to trying to study the faint glimmer reflected off a tiny insect flying around a distant and brilliant light.

[4] This means that the planet’s orbit is close to being edge on as seen from Earth, although this is not close enough for transits to take place.

[5] ESPRESSO on the VLT, and later even more powerful instruments on much larger telescopes such as the E-ELT, will allow for a significant increase in precision and collecting power, aiding the detection of smaller exoplanets, while providing an increase in detail in the data for planets similar to 51 Pegasi b.

More information

This research was presented in a paper “Evidence for a spectroscopic direct detection of reflected light from 51 Peg b”, by J. Martins et al., to appear in the journal Astronomy & Astrophysics on 22 April 2015.

The team is composed of J. H. C. Martins (IA and Universidade do Porto, Porto, Portugal; ESO, Santiago, Chile), N. C. Santos (IA and Universidade do Porto), P. Figueira (IA and Universidade do Porto), J. P. Faria (IA and Universidade do Porto), M. Montalto (IA and Universidade do Porto), I. Boisse (Aix Marseille Université, Marseille, France), D. Ehrenreich (Observatoire de Genève, Geneva, Switzerland), C. Lovis (Observatoire de Genève), M. Mayor (Observatoire de Genève), C. Melo (ESO, Santiago, Chile), F. Pepe (Observatoire de Genève), S. G. Sousa (IA and Universidade do Porto), S. Udry (Observatoire de Genève) and D. Cunha (IA and Universidade do Porto).

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 16 countries: Austria, Belgium, Brazil, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Poland, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom, along with the host state of Chile. 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 a major partner in ALMA, the largest astronomical project in existence. And on Cerro Armazones, close to Paranal, ESO is building the 39-metre European Extremely Large Telescope, the E-ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.

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