GJ 436b : 외계행성에서 증발되어 나오는 거대 수소 구름을 발견하다.

 

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

 

그림 1> 이 상상화는 지구로부터 고작 30광년밖에 떨어져 있지 않은 해왕성 크기의 행성으로부터 흘러나와 혜성 모양을 갖추고 있는 거대한 수소 구름을 묘사하고 있다.

여기에 묘사된 별은 희미한 붉은 난쟁이 별인 GJ 436이다.

구름을 구성하고 있는 수소는 별로부터 발생하는 극단적인 복사에 의해 행성에서 증발되고 있는 것이다.

이러한 현상이 외계행성에서 발견되기는 이번이 처음이다.

 

천문학자들이 허블우주빛통을 이용하여 가까운 별 주위를 공전하는 행성으로부터 흘러나오는 "거대한 괴물(The Behemoth)"이라는 이름의 거대한 수소 구름을 발견했다.
혜성과 같은 형태를 하고 있는 이 거대 구름의 크기는 자신의 별보다 50배다 큰 크기이다.

이 수소구름은 별에서 발생하는 강력한 복사에 의해 해왕성 크기의 행성의 대기가 데워져 증발되면서 만들어진 것이다.
이러한 현상이 관측된 외계행성은 여지껏 존재하지 않는다.

이 행성의 작은 크기로 보건대 이번 현상은, 별 주위를 도는 행성의 외곽 수소 대기층이 증발되면서 어떻게 뜨거운 슈퍼 지구 - 질량은 크지만 암석질로 되어 있는 고온의 지구와 같은 행성 - 로 변해가는지에 대한 단서를 제공해 줄지도 모른다.

이번 연구의 책임자인 스위스 제네바 대학 천문대의 다비드 에렌라이히(David Ehrenreich)의 설명은 다음과 같다.
"이 구름은 정말 환상적입니다. 그리고 수소의 증발율이 당장 이 행성에 위협은 되지 않습니다.
그런데 지금 우리가 알고 있는 것은 희미한 붉은색 난쟁이 별인 이 별이 과거에는 훨씬 활동적이었다는 사실입니다.
이것은 이 행성의 증발이 첫 10억년 동안 매우 빠르게 이뤄졌을 것이라는 것을 뜻합니다.
전반적으로 우리는 이 행성이 지금까지 잃어버린 대기가 전체 대기의 10% 수준에 달할 것으로 예측하고 있습니다."
 

GJ 436b 라는 이름을 가지고 있는 이 행성은 우리 태양계의 해왕성과 비슷한 크기이지만 자신에 별에 훨씬 가까이 위치하고 있어 "따뜻한 해왕성"으로 간주되고 있는 행성이다.

 

비록 대기가 완전히 증발되어 암석질 핵이 드러나는 상태까지 이를 위험성은 없긴 하지만 이 행성은 자신의 별에 매우 가까이 자리잡고 있는 이른바, "뜨거운 슈퍼 지구"의 존재를 설명할 수 있을 것으로 보인다.

 

이 행성은 유럽우주국 및 국제 협력기구의 지원을 받으며 프랑스 우주국이 주도하고 있는 CoRoT 위성(the Convection Rotation and Planetary Transits spacecraft)과 NASA의 케플러 위성에 의해 발견되었다.

뜨거운 슈퍼지구형 행성은 동일한 유형의 증발 작용에 의해 두꺼운 가스 대기를 모두 잃어버린 훨씬 무거운 행성의 잔해일 가능성이 있다.

지구의 대기는 자외선의 대부분을 차단하기 때문에 천문학자들은 이 "거대한 괴물(The Behemoth)"을 정교하고 정확하게 찾아내는데 우주공간에 위치한 허블우주빛통의 자외선관측 능력을 필요로 하고 있다.

 

에렌라이히의 소감은 다음과 같다.
"이번 관측에서 허블은 절대적으로 필요했습니다. 

이 수소구름의 모습은 가시광선 파장으로는 볼 수 없었죠. 

그런데 허블의 적외선 관측 시스템을 켜는 순간 이 행성이 거대한 괴물로 변하는 모습을 보게 됩니다. 

이와같이 진정한 탈바꿈의 광경을 볼 수 있는 경우는 드물죠."
 

이 행성의 공전 궤도는 지구를 향해 거의 수직으로 서 있기 때문에 이 행성이 자신의 별 전면을 지나는 현상을 볼 수 있다.
천문학자들은 또한 이 행성 주위를 휘감고 있는 거대한 수소 구름에 의해 별이 가려지는 현상도 목격하였다.

 

 

Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

 

그림 2> 이 표는 거대한 혜성 모양의 수소구름을 거느린 행성 GJ 436b가 자신의 별 전면을 지날 때 나타나는 독특한 빛의 곡선을 보여주고 있다.

이 행성의 공전궤도는 지구에서 바라보는 시점에서 거의 수직에 가깝게 서 있기 때문에 행성과 수소 구름이 자신의 별 전면을 가리는 모습을 볼 수 있었다.

천문학자들은 이 거대한 수소 구름에 의해서 갑자기 떨어진 별의 밝기가 계속 늘어지는 양상을 볼 수 있었다.

이렇게 떨어진 밝기는 혜성 모양의 꼬리로 인해 서서히 원복되었다.

 

이토록 거대한 가스 구름이 행성 주위에 여전히 남아 있을 수 있는 이유에 대해 에렌라이히와 그의 연구팀이 생각하는 바는 상대적으로 온도가 낮은 붉은 난쟁이 별 때문에 이 구름이 그리 빠르게 가열되거나 복사에 의해 쓸려나가지 않기 때문이다.

이러한 요인들로 인해 이 수소 구름이 좀더 오랫동안 행성 주위에 머무를 수 있는 것이다.

 

연구팀의 연구 결과는 2015년 6월 25일 네이처지에 개재되었다.

 

이와 같은 증발 작용이 우리 태양계 초기에 발생했던 것이라면 수소가 풍부한 지구의 대기는 초기 1억년에서 5억년 상관에 고갈되었을 것이다.

만약 그랬다면 지구도 혜성과 같은 꼬리를 늘어뜨리고 있었을 것이다.

 

지구의 대기가 증발되어 버리는 일은 지구의 모든 생명체가 최우를 맞이하는 사건으로서도 발생가능하다.
태양이 점점 부풀어 올라 적색거성이 되면 지구를 완전히 삼켜버리기 전에 남아있는 대기를 모두 끓여 없애버리게 될 것이다.

GJ 436b는 자신의 별에 480만 킬로미터밖에 되지 않는 거리로 바짝 붙어 있으며 2.6일만에 한 번 공전한다.

(지구의 경우 태양까지의 거리는 1억 4천 8백만 킬로미터이며 한 번 공전하는데는 365.24일이 소요된다.)

 

 

Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

 

그림 3> 이 그림은 GJ 436 행성계를 위에서 바라본 모습을 담고 있다.

해왕성 크기의 뜨거운 행성인 GJ 436b 는 자신의 별로부터 480만 킬로미터밖에 떨어져 있지 않으며 단 2.6일 간격으로 공전하고 있다.

"거대한 괴물(The Behemoth)"이라는 별칭이 붙은 수소 구름이 이 행성으로부터 흘러나와 마치 혜성처럼 꼬리를 그리고 있다.

이 행성은 지구로부터 고작 30광년 거리에 위치하고 있다.

 

이 외계행성의 나이는 최소 6십억 년 이상이며 최대 이보다 두 배 정도의 나이를 먹었을 수도 있다.

이 행성의 질량의 지구의 23배이다.

 

지구로부터 고작 30광년밖에 떨어져 있지 않은 이 행성은 외계행성으로서는 가장 가까이 위치하는 행성 중 하나이다.

 

이러한 "거대한 괴물"의 발견은 모든 해왕성 크기 행성의 대기 특성을 밝히는데, 그리고 자외선으로 슈퍼 지구를 찾아내는데 있어 그 판도를 뒤바꿀 수 있는 무궁한 가능성이 있다.

향후 수년 내에 에렌라이히는 천문학자들이 이와 같은 종류의 행성을 수천 개 이상 발견할 것으로 기대하고 있다.

이번 연구에서 사용된 자외선 관측 기술은 또한 비교적 크기가 작은, 지구와 같은 행성에서 바다의 흔적을 찾는데도 사용될 수 있을 것으로 보인다.

천문학자들이 외계행성에서 수증기의 흔적을 직접적으로 관측한다는 것은 수증기가 대기상에서 너무나 적게 존재하여 빛통으로 관측이 쉽지 않기 때문에 매우 어려운 도전과제가 될 것이다.

 

그런데 수증기가 별의 복사에 의해 수소와 산소로 분해되고 상대적으로 가벼운 수소원자가 행성으로부터 탈출하게 될 수도 있다.

만약 과학자들이 특정 행성에서 증발되어 나오는 수증기를 발견했는데, 이 행성이 조금은 더 온화한 기후를 가지고 있고, GJ 436b보다 적은 질량을 가지고 있다면 이는 그 행성의 표면에 바다가 있을 수 있다는 훌륭한 증거가 될 수 있을 것이다.

 

 

출처 : 허블사이트 2015년 6월 24일 발표 뉴스
         http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2015/17/         

 

참고 : GJ 436b를 비롯한 각종 외계행성에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346973

 

원문>

News Release Number: STScI-2015-17

Hubble Sees a 'Behemoth' Bleeding Atmosphere Around a Warm Neptune-Sized Exoplanet

Astronomers using NASA's Hubble Space Telescope have discovered an immense cloud of hydrogen dubbed "The Behemoth" bleeding off a planet orbiting a nearby star. The enormous, comet-like feature is about 50 times the size of the parent star. The hydrogen is evaporating from a warm, Neptune-sized planet, due to extreme radiation from the star.

A phenomenon this large has never before been seen around any exoplanet. Given this planet's small size, it may offer clues to how Hot Super-Earths — massive, rocky, hot versions of Earth — are born around other stars through the evaporation of their outer layers of hydrogen.

"This cloud is very spectacular, though the evaporation rate does not threaten the planet right now," explains the study's leader, David Ehrenreich of the Observatory of the University of Geneva in Switzerland. "But we know that in the past, the star, which is a faint red dwarf, was more active. This means that the planet evaporated faster during its first billion years of existence. Overall, we estimate that it may have lost up to 10 percent of its atmosphere."

The planet, named GJ 436b, is considered to be a "Warm Neptune," because of its size and it is much closer to its star than Neptune is to our sun. Although it is in no danger of having its atmosphere completely evaporated and being stripped down to a rocky core, this planet could explain the existence of so-called Hot Super-Earths that are very close to their stars.

These hot, rocky worlds were discovered by the Convection Rotation and Planetary Transits (CoRoT) spacecraft (led by the French Space Agency (CNES) in collaboration with ESA (the European Space Agency), and several other international partners), and NASA's Kepler space telescope. Hot Super-Earths could be the remnants of more massive planets that completely lost their thick, gaseous atmospheres to the same type of evaporation.

Because Earth's atmosphere blocks most ultraviolet light, astronomers needed a space telescope with Hubble's ultraviolet capability and exquisite precision to find "The Behemoth."

"You would have to have Hubble's eyes," says Ehrenreich. "You would not see it in visible wavelengths. But when you turn the ultraviolet eye of Hubble onto the system, it's really kind of a transformation, because the planet turns into a monstrous thing."

Because the planet's orbit is tilted nearly edge-on to our view from Earth, the planet can be seen passing in front of its star. Astronomers also saw the star eclipsed by "The Behemoth" hydrogen cloud around the planet.

Ehrenreich and his team think that such a huge cloud of gas can exist around this planet because the cloud is not rapidly heated and swept away by the radiation pressure from the relatively cool red dwarf star. This allows the cloud to stick around for a longer time. The team's findings will be published in the June 25 edition of the journal Nature.

Evaporation such as this may have happened in the earlier stages of our own solar system, when Earth had a hydrogen-rich atmosphere that dissipated over 100 million to 500 million years. If so, Earth may previously have sported a comet-like tail. It's also possible it could happen to Earth's atmosphere at the end of our planet's life, when the sun swells up to become a red giant and boils off our remaining atmosphere, before engulfing our planet completely.

GJ 436b resides very close to its star — less than 3 million miles — and whips around it in just 2.6 Earth days. (In comparison, Earth is 93 million miles from our sun and orbits it every 365.24 days.) This exoplanet is at least 6 billion years old, and may even be twice that age. It has a mass of around 23 Earths. At just 30 light-years from Earth, it's one of the closest known extrasolar planets.

Finding "The Behemoth" could be a game-changer for characterizing atmospheres of the whole population of Neptune-sized planets and Super-Earths in ultraviolet observations. In the coming years, Ehrenreich expects that astronomers will find thousands of this kind of planet.

The ultraviolet technique used in this study also may spot the signature of oceans evaporating on smaller, more Earth-like planets. It will be extremely challenging for astronomers to directly see water vapor on those worlds, because it's too low in the atmosphere and shielded from telescopes. However, when water molecules are broken by the stellar radiation into hydrogen and oxygen, the relatively light hydrogen atoms can escape the planet. If scientists could spot this hydrogen evaporating from a planet that is a bit more temperate and little less massive than GJ 436b, that is a good sign of an ocean on the surface.

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