케플러 138b (Kepler-138b) : 화성 크기 외계행성의 질량을 측정하다.

 

Credits: SETI Institute/Danielle Futselaar

 

그림 1> 이 상상화는 크기는 지구보다 작으면서 크기와 질량이 모두 측정된 최초의 행성인 케플러 138b와 이 행성을 품고 있는 케플러 138 행성계를 묘사하고 있다.
이 행성의 크기는 자신의 별에 대비하여 상대적으로 과장되어 있다. 

 

Credits: NASA Ames/W Stenzel

 

표1> 이 표는 크기와 질량이 모두 측정된 가장 작은 외계행성의 측정값들을 보여주고 있다.
우리 태양계의 행성들은 비교를 위해 붉은 색으로 표시되어 있다.
케플러 138 행성계의 3개 행성들은 주황색으로 표시되어 있으며 태양계의 작은 4개 행성들 사이에 위치하고 있다.
케플러 138b는 지구보다 작은 행성으로서는 질량과 크기가 모두 측정된 최초의 행성이며  이는 밀도측정과 함께 행성 탐사의 범주를 현저하게 확대시켰다는데에 의미가 있다.

 

케플러 138b (Kepler-138b) : 화성 크기 외계행성의 질량을 측정하다.

 

수백만 광년 떨어진 곳에서 외계행성이 자신의 별을 막아서면서 발생하는 별빛의 밝기 변화를 통해 지구 정도 크기의 외계행성을 측정해 낸다는 것은 한때는 공상과학소설의 소재거리에 지나지 않았다.

 

이처럼 작은 행성의 질량을 중력을 근거로 측정한다는 것은 또 완전히 다른 이야기이다.
그런데 천문학자들이 지구 대비 반 정도의 크기를 가진 외계행성에 대해 이 작업을 이뤄냈다.

 

과학자들이 NASA 케플러 미션동안 수집된 데이터를 이용하여 화성 정도 크기를 가진 외계행성의 질량이 지구 질량의 10분의 1 정도임을 측정해냈다.

 

케플러 138b (Kepler-138b)라는 이름의 이 외계행성은 질량과 크기가 모두 지구보다 작은 외계행성으로는 처음으로  알려진 외계행성이다.

 

행성의 질량을 측정하기 위해 천문학자들은 일반적으로 공전하는 행성이 자신의 별에 끼치는 중력영향에 의해 별이 아주 미세하게 움직이는 순간을 측정한다.
그러나 지구 정도의 질량을 가진 행성이 자신의 별에 미치는 대단히 미세한 중력작용을 측정하는 것은 현재 기술로는 도달하기 어려운 도전에 속한다.

 

그런데 운좋게도 하나의 별이 서로 가까이 뭉쳐있는 여러 개의 행성을 가지고 있을 때 과학자들은 이 행성들의 질량을 측정해 낼 수 있는 또다른 방법을 개발해냈다.

 

연구팀을 이끌고 있는 펜실베니아 주립대 외계행성 및 생명체 서식 가능 행성 연구 센터(Pennsylvania State University’s Center for Exoplanets and Habitable Worlds)의 과학자 다니엘 존토프-후터(Daniel Jontof-Hutter)는 이 3개의 행성이 케플러 138이라는 자신의 별 전면을 각각 지나는 순간을 정확하게 측정하여 행성들의 질량을 측정해냈다.

 

존토프-후터의 설명은 다음과 같다.
"각각의 행성은 자신의 이웃 행성들로부터 받는 미세한 중력작용으로 인해 주기적으로 속도가 느려졌다가 빨라졌다가를 반복하고 있었습니다.
이 행성들이 자신의 별 전면을 지나는 순간에 나타나는 이러한 미세한 변화를 이용하여 행성들의 질량을 측정할 수가 있었던 것입니다."

 

행성이 자신의 별 전면을 지나면서 별빛의 일부를 막아서는 순간을 통해 천문학자들은 해당 행성의 크기를 측정하게 된다.
이 방법은 케플러 위성이 지금까지 다른 별들 주위를 공전하는 천여 개의 외계행성을 감지해낸 방법이기도 하다.

 

외계행성의 질량과 크기를 측정하게 되면 과학자들은 그 밀도를 계산할 수 있고 이로부터 그 행성이 암석이나 물 또는 가스등 주로 어떤 성분으로 구성되어 있는 행성인지를 추론하게 된다.

 

작은 행성인 케플러 138b의 밀도는 이 행성이 지구나 화성과 같은 암석질의 조성을 가지고 있음을 보여주고 있는데 이 행성이 암석질 행성이라고 단언하기 위해서는 추가 관측이 필요하다.

 

케플러 138b가 돌고 있는 자신의 별 케플러 138은 크기는 우리 태양의 반 이하이고 온도는 태양 온도의 30퍼센트 수준이다.
케플러 138b는 이 별을 공전하는 세 개의 행성 중 가장 안쪽 궤도에 위치하고 있다.

 

케플러 138 행성계는 거문고자리 방향으로 지구로부터 200광년 거리에 위치하고 있다.
케플러 138b의 바깥 궤도를 돌고 있는 케플러 138c(Kepler-138c) 와 케플러 138d(Kepler-138d)의 크기는 지구 크기와 비슷하다.
케플러 138c의 경우는 지구와 비슷한 암석질 행성이지만 케플러 138d의 밀도는 훨씬 낮은 수준이라서 지구를 구성하는 물질성분과는 확연히 다른 행성이다.

 

이 세 개 행성 모두 액체 상태의 물이 유지될 수는 없을 정도로 자신의 별에 가까이 위치하고 있으며 따라서 우리가 아는한 생명체의 서식은 가능하지 않다.

 

이번 논문의 공동저자인 NASA 에임스 연구 센터의 행성과학자 잭 리사(Jack Lissauer)의 설명은 다음과 같다.
"보다 크기가 큰 두 개 행성의 근본적인 밀도차이가 우리에게 말해주는 것은 크기가 지구와 비슷한 행성이 모두 암석질 행성은 아니라는 점입니다.
작은 행성들에 대한 추가 연구를 통해 자연에 존재하는 행성의 다양성을 이해하는데 도움을 받을 수 있을 것이며 지구와 같은 암석질 행성이 과연 일반적인 현상인지 아니면 드문 경우인지를 결정할 수 있게 될 것입니다."

 

마치 20세기 초의 천문학자들이 별의 다양성을 연구하여 그 특성을 서로 다른 유형으로 분류했듯이 21세기의 천문학자들은 미리내에 존재하는 행성들을 대상으로 그 다양성을 이해해나가는 유사한 작업을 하고 있다.

 

과학자들은 현재 케플러 위성으로부터 획득한 작은 행성들의 새로운 측정치를 이용한 작업을 게속하고 있으며 향후에는 '통과현상을 이용한 외계행성탐사위성(Transiting Exoplanet Survey Satellite, TESS)'의 관측자료를 이용하여 질량과 크기와의 상관 관계를 연구하게 될 것이다.

 

이러한 통찰은 태양계에서 지구와 다른 행성들의 역사를 이해할 수 있는 자료들을 제공해 줄 것이며 차세대 행성 탐사 작업에 있어 태양계 너머에서 생명체를 찾아낼 수 있도록 도움을 줄 것이다.

 

케플러 138에서 바깥쪽을 도는 두 개 행성의 질량은 이미 측정된 적이 있었다.

그러나 이번 연구에서는 케플러 138 행성계에 대한 케플러 위성의 추가 데이터를 이용하여 보다 세부적인 분석이 진행되었다.

 

이번 작업을 통해 가장 안쪽에서 공전을 계속하고 있는 화성크기 행성의 질량을 측정할 수 있었으며 결과적으로 다른 행성들의 크기와 질량에 대한 정확도도 향상시킬 수 있었다.
이번 연구 결과는 네이처지에 개재되었다.

 

 

출처 : NASA - Kepler Mission News Release 2015년 6월 18일자
        http://www.nasa.gov/ames/kepler/measuring-the-mass-of-a-mars-size-exoplanet

 

참고 : 케플러 138b를 비롯한 각종 외계행성에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346973
      

참고 : 케플러 미션에 대한 자세한 진행 내용 및 성과는 본 블로그 '케플러 Mission' 폴더에서 확인할 수 있습니다.

 

 

원문>

Determining the size of an Earth-size exoplanet by the amount of starlight it blocks hundreds of light-years away once was the realm of science fiction. Measuring the mass of such a small planet based on its gravity was another level entirely, but astronomers have done just that for an exoplanet fifty percent the size of Earth.

Researchers using NASA's Kepler mission data have measured the mass of a Mars-size exoplanet that is about one tenth the mass of Earth. Called Kepler-138b, it is the first exoplanet smaller than Earth to have both its mass and size measured. This significantly extends the range of planets with measured densities.

To determine a planet's mass, astronomers typically measure the minuscule movement of the star caused by the gravitational tug of an orbiting planet. For planets the mass of Earth detecting such a tiny tug is extraordinarily challenging with current technology. Fortunately, when a star hosts multiple planets that orbit closely together, scientists have developed another way to get at the planets’ masses.

 

Daniel Jontof-Hutter, a research associate at the Pennsylvania State University’s Center for Exoplanets and Habitable Worlds, led a team of astronomers in a study to measure the mass of all three planets by precisely observing the times each planet passed in front of, or transited, the star Kepler-138.

 

"Each planet periodically slows down and accelerates ever so slightly from the gravity of its neighboring planets. The slight change in time between transits allows us to measure the masses of the planets," said Jontof-Hutter. 

 

Each time a planet transits a star it blocks a small fraction of the star's light, allowing astronomers to measure the size of the planet. This is how the Kepler spacecraft has detected thousands of planets around other stars.

 

By measuring both the mass and size of an exoplanet, scientists can calculate the density and infer the bulk composition to determine if a planet is predominantly made of rock, water or gas. Tiny Kepler-138b's density is consistent with a rocky composition like Earth or Mars, but further observations are needed before astronomers can definitively say that it is a rocky world.

 

Kepler-138b is the innermost of three planets that orbit Kepler-138, a star less than half the size of our sun and roughly 30 percent cooler. The Kepler-138 system is located about 200 light-years from Earth in the direction of the constellation Lyra. 

The outer two planets, Kepler-138c and Kepler-138d, are approximately the size of Earth. Kepler-138c is likely to be rocky, whereas Kepler-138d is less dense and cannot be made of the same mix of material as Earth. All three planets orbit too close to their star for liquid water to exist on the surface and support life, as we know it.

"The substantial difference between the densities of the two larger planets tells us that not all planets similar to Earth in size are rocky," said Jack Lissauer, co-author and planetary scientist at NASA's Ames Research Center in Moffett Field, Calif. "Further study of small planets will help provide more understanding of the diversity that exists in nature, and will help determine if rocky planets like Earth are common or rare."

Much like astronomers in the early 20^th century studied a wide variety of stars to characterize and classify different types, astronomers in the 21^st century are doing the same to understand the diversity and demographics of planet populations in our Milky Way galaxy. 

 

Scientists are working to use these new measurements of small planets from Kepler and NASA's upcoming Transiting Exoplanet Survey Satellite to identify patterns in the relationship between mass and size. These insights will provide context for understanding the history of Earth and other planets in our own solar system, and inform the next generation planet hunters as they search for life beyond the solar system. 

 

A previous study had measured the masses of the two outer planets. This new study performed a more detailed analysis of the Kepler-138 system using additional Kepler data. This enabled the measurement of the mass of the Mars-size inner planet and improved the accuracy of the size and mass measurements for the outer planets. The results will appear in this Thursday's issue of the journal Nature.

 

Ames Research Center in Moffett Field, California, manages the Kepler and K2 missions for NASA’s Science Mission Directorate. NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, California, managed Kepler mission development. Ball Aerospace & Technologies Corp. operates the flight system with support from the Laboratory for Atmospheric and Space Physics at the University of Colorado in Boulder.

 

For more information on the Kepler mission, visit: www.nasa.gov/kepler.