외계행성 대기의 다양성을 밝혀내다

Credit:ESA/Hubble & NASA

 

외계행성 대기의 다양성을 밝혀내다 : 잃어버린 물의 미스테리를 푸는 가장 큰 규모의 비교연구

 

천문학자들이 허블우주망원경과 스피처우주망원경을 이용하여 목성 정도 크기를 가진 뜨거운 외계행성 10개의 대기에 대한 상세한 연구를 진행하였다.
이번 연구는 뜨거운 목성형 행성의 연구로는 가장 큰 규모로 진행된 연구이다.

연구팀은 이번 연구를 통해 왜 이 외계행성들이 예상보다 적은 물을 가지고 있는 것처럼 보이는지를 밝혀낼 수 있었다.
이 의문은 오랫동안 수수께끼로만 남아 있었던 의문이었다.
이번 연구 결과는 네이처 지에 개재되었다.
 

지금까지 천문학자들이 발견한 외계행성은 거의 2,000개에 육박한다.

 

이 외계행성 중 몇몇은 '뜨거운 목성형 행성(Hot Jupiters)'으로 분류된다.
'뜨거운 목성형 행성'이란 고온의 가스로 둘러싸여 목성과 유사한 특징을 보이는 행성을 말한다.

 

이 행성들은 자신의 별을 매우 가까운 거리에서 공전한다.

이로인해 표면의 온도가 치솟아 오르게 되는데 이 행성들이 주체할 수 없는 압도적인 빛을 자신의 별로부터 받는다 것 외에는 세부적인 연구를 진행하는데 있어 많은 신중을 요구하는 행성들이다.

 

이러한 어려움으로 인해 허블우주망원경으로 한정된 파장에 한해 관측할 수 있는 뜨거운 목성형 행성은 과거에 한줌 정도에 지나지 않았다.
과거 연구를 통해 여러 행성들이 예상보다 훨씬 적은 수증기만을 가지고 있음이 밝혀졌다. 놀랍도록 메마른 세 개의 외계행성  
( 관련 참고 뉴스 :

 외계행성 HD 209458b 

 물 신호가 포착된 다섯개 외계행성

 놀랍도록 메마른 세 개의 외계행성  )

              
그리고 지금, 천문학자들로 구성된 국제연구팀이 이 뜨거운 목성형 행성에 대한 대규모 연구를 통해 이 문제에 매달렸다.
이 연구는 뜨거운 목성형 행성 10개를 대상으로 그 대기의 특성을 이해하기 위한 탐사와 비교를 수행하였다. [1]

 

예전까지 이 행성들 중 대기에 대한 연구가 세부적으로 진행된 곳은 세 곳에 지나지 않았다.
이 행성 세 곳은 가장 광범위한 분광 목록을 보유한 외계 행성이다.

 

Credit:ESA/Hubble & NASA

 

그림 1>

이 상상화는 데이비드 싱(David Sing)과 그의 동료들에 의해 수행된 10개의 뜨거운 목성형 행성을 묘사하고 있다.
상단 왼쪽부터 하단 왼쪽 순으로 차례로 WASP-12b, WASP-6b, WASP-31b, WASP-39b, HD 189733b, HAT-P-12b, WASP-17b, WASP-19b, HAT-P-1b,  HD 209458b이다.
각각의 행성은 서로에 대한 크기 축적에 맞게 그려졌다.
가장 작은 크기를 가진 HAT-P-12b가 목성의 크기와 비슷하며 가장 큰 크기를 가진 WASP-17b은 목성의 두 배 크기를 가지고 있다.

각 행성들에는 서로 다른 특징을 가진 구름이 묘사되어 있다.
사실 푸른색의 행성으로 알려져 있는 HD 189733b를 제외하고 나머지 행성의 색깔에 대한 정보는 전혀 존재하지 않는다.

가장 뜨거운 온도를 가진 외계행성은 끓어오르는 야간반구를 가진 것으로 묘사되어 있다.
끓어오르는 야간반구가 가장 강하게 묘사되어 있는 것은 이 샘플 중에서 가장 뜨거운 온도를 가진 WASP-12b 이다.
하지만 WASP-19b 와 WASP-17b 역시 끓어오르는 야간반구를 가지고 있다.

여기에는 또한 강력한 레일리 산란(Rayleigh scattering)을 보이는 행성이 여럿 존재한다.
이 효과는 지구에서 한낮의 파란 하늘과 해질녁의 붉은 하늘을 만들어낸다.
이러한 효과를 보이는 행성들은 WASP-6b, HD 189733b, HAT-P-12b, HD 209458b 로서 파란색의 테두리로 표시되어 있다.

각 행성에 보이는 대기의 패턴은 목성에서 관측되는 대기 패턴과 유사한데, 이는 이론적 모델을 기반으로 그려진 것이다.

 

연구팀은 허블우주망원경과 스피처우주망원경을 이용하여 여러차례 관측을 진행하였다.
두 개 망원경의 강력한 관측성능은 연구팀으로 하여금 이 행성들이 가진 다양한 질량과 크기, 기온, 그리고 유례없이 넓은 폭에 걸친 파장의 관측을 가능하게 해주었다.[2]

 

이번 논문의 주저자인 영국 엑서터 대학 데이비드 싱(David Sing)의 설명은 다음과 같다.
"저는 마침내 여러 형태의 행성을 한 번에 볼 수 있었다는 사실에 정말 큰 기쁨을 느낍니다.
하나의 외계행성에서 다른 외계행성에 이르기까지 비교가 가능한 여러 특징들을 충분히 넓은 파장을 통해 처음으로 관측할 수 있었죠.
우리는 이번 연구를 통해서 외계행성의 대기가 생각보다 훨씬 더 다양한 형태를 띤다는 것을 알게 되었습니다."

 

연구대상이 된 모든 행성은 자신의 별과 지구 사이를 지나는, 관측하기 좋은 공전궤도를 가지고 있다.

이 행성들이 자신의 별 전면을 통과할 때, 그 모습을 지구에서 관측하면 행성의 외곽 대기를 스쳐지나온 별빛을 볼 수 있게 된다.

 

이번 논문의 공동저자인 NASA 고다드 우주비행센터의 한나 웨이크포드(Hannah Wakeford)는 이 별빛이 외계행성의 대기를 통과할 때, 외계행성 대기에 독특한 신호가 남게 되고 따라서 이 빛을 통해 외계행성의 대기를 연구할 수 있는 것이라고 말했다.

이처럼 남겨진 외계행성대기 지문을 이용하여 연구팀은 물을 포함한 다양한 원소와 분자신호를 추출할 수 있었으며 구름낀 외계행성과 구름이 존재하지않는 외계행성으로 분리하여 잃어버린 물의 미스테리를 설명해 줄만한 속성을 찾을 수 있었다.

 

구름이 존재하지 않는 외계행성 대기에는 물의 신호가 강력하게 추출된 반면, 물의 신호가 희미하게 존재한 외계행성의 대기에는 구름이나 연무의 신호도 함께 존재하였다.
구름이나 연무는 이미 물의 신호를 숨기는 역할을 하는 것으로 익히 알려져 있는 특성이다.
이러한 결과에 따라 문제가 풀리게 되었다.

 

이번 논문의 공동저자인 캘리포니아 대학 조나단 포트니(Jonathan Fortney)의 설명은 다음과 같다.
"바로 이와 같은 특징이 물이 존재하지 않는 환경의 행성을 형성하는 조건이었습니다.
그러나 이번 결과는 우리에게 행성이 어떻게 형성되는지에 대한 현재의 이론을 완전히 재검토할 것을 요구하고 있습니다.
이번 결과는 행성이 애초에 마른 상태로 형성된다는 시각을 배제하고 있습니다.
그저 단순히 구름이 우리의 시야에서 물을 숨기고 있다는 결과를 말해주고 있는 것이죠."

 

외계행성대기에 대한 연구는 아직 시작단계라 할 수 있으며 아직까지 관측이 진행된 것은 소수에 지나지 않는다.

허블의 대를 잇는 제임스웹 우주망원경이 외계행성과 그 대기에 대한 적외선 연구라는 새로운 장을 열어줄 것이다.

 

각주

[1] 지금까지 외계행성의 대기 연구는 익히 잘 알려진 소수의 외계행성만을 대상으로 하는 것이 일반적이었다. 
그러나 이번 연구팀은 허블과 스피처우주망원경을 이용하여 HD 209458b 과 HD 189733b를 관측하였으며, 허블우주망원경으로는 WASP-6b,  WASP-12b, WASP-17b, WASP-19b, WASP-31b, WASP-39b, HAT-P-1b, HAT-P-12b 이상의 8개 외계행성을 관측하였다. 
이 행성들은 다양한 물리적 속성을 가지고 있다.

 

[2] 이번 연구에서 관측한 파장은 자외선(0.3 μm)대역에서 중간 적외선(4.5 μm)대역에 이른다.

출처 : 유럽우주국(ESA) 허블 2015년 12월 14일 발표 뉴스
         http://www.spacetelescope.org/news/heic1524/

 

참고 : 각종 외계행성에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346973

 

원문>

heic1524 — Science Release

Hubble reveals diversity of exoplanet atmospheres

Largest ever comparative study solves missing water mystery

14 December 2015

Astronomers have used the NASA/ESA Hubble Space Telescope and the NASA Spitzer Space Telescope to study the atmospheres of ten hot, Jupiter-sized exoplanets in detail, the largest number of such planets ever studied. The team was able to discover why some of these worlds seem to have less water than expected — a long-standing mystery. The results are published in "Nature".

To date, astronomers have discovered nearly 2000 planets orbiting other stars. Some of these planets are known as hot Jupiters — hot, gaseous planets with characteristics similar to those of Jupiter. They orbit very close to their stars, making their surface hot, and the planets tricky to study in detail without being overwhelmed by bright starlight.

Due to this difficulty, Hubble has only explored a handful of hot Jupiters in the past, across a limited wavelength range. These initial studies have found several planets to hold less water than expected (opo1436a, opo1354a).

Now, an international team of astronomers has tackled the problem by making the largest ever study of hot Jupiters, exploring and comparing ten such planets in a bid to understand their atmospheres [1]. only three of these planetary atmospheres had previously been studied in detail; this new sample forms the largest ever spectroscopic catalogue of exoplanet atmospheres.

The team used multiple observations from both the NASA/ESA Hubble Space Telescope and NASA’s Spitzer Space Telescope. Using the power of both telescopes allowed the team to study the planets, which are of various masses, sizes, and temperatures, across an unprecedented range of wavelengths [2].

“I’m really excited to finally ‘see’ this wide group of planets together, as this is the first time we’ve had sufficient wavelength coverage to be able to compare multiple features from one planet to another,” says David Sing of the University of Exeter, UK, lead author of the new paper. “We found the planetary atmospheres to be much more diverse than we expected.”

All of the planets have a favourable orbit that brings them between their parent star and Earth. As the exoplanet passes in front of its host star, as seen from Earth, some of this starlight travels through the planet’s outer atmosphere. “The atmosphere leaves its unique fingerprint on the starlight, which we can study when the light reaches us,” explains co-author Hannah Wakeford, now at NASA Goddard Space Flight Center, USA.

These fingerprints allowed the team to extract the signatures from various elements and molecules — including water — and to distinguish between cloudy and cloud-free exoplanets, a property that could explain the missing water mystery.

The team’s models revealed that, while apparently cloud-free exoplanets showed strong signs of water, the atmospheres of those hot Jupiters with faint water signals also contained clouds and haze — both of which are known to hide water from view. Mystery solved!

“The alternative to this is that planets form in an environment deprived of water — but this would require us to completely rethink our current theories of how planets are born,” explained co-author Jonathan Fortney of the University of California, Santa Cruz, USA. “Our results have ruled out the dry scenario, and strongly suggest that it’s simply clouds hiding the water from prying eyes.”

The study of exoplanetary atmospheres is currently in its infancy, with only a handful of observations taken so far. Hubble’s successor, the James Webb Space Telescope, will open a new infrared window on the study of exoplanets and their atmospheres.

Notes

[1] To date, studies of exoplanet atmospheres have been dominated by a small number of well-studied planets. The team used Hubble and Spitzer observations of two such planets, HD 209458b (heic0303, opo0707b) and HD 189733b (heic1312, heic0720a), and used Hubble to observe eight other exoplanets — WASP-6b, WASP-12b, WASP-17b, WASP-19b, WASP-31b, WASP-39b, HAT-P-1b, HAT-P-12b. These planets have a broad range of physical parameters.

[2] The observations spanned from the ultraviolet (0.3 μm) to the mid-infrared (4.5 μm).

More information

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

This research was presented in a paper entitled “A continuum from clear to cloudy hot-Jupiter exoplanets”, to appear in the journal Nature on 14 December 2015.

The international team of astronomers in this study consists of David K. Sing (University of Exeter, UK), Jonathan J. Fortney (University of California, Santa Cruz; USA), Nikolay Nikolov (University of Exeter, UK), Hannah R. Wakeford (University of Exeter, UK), Tiffany Kataria (University of Exeter, UK), Thomas M. Evans (University of Exeter, UK), Suzanne Aigrain (University of Oxford, UK), Gilda E. Ballester (University of Arizona, USA), Adam S. Burrows (Princeton University, USA), Drake Deming (University of Maryland, USA), Jean-Michel Désert (University of Colorado, USA), Neale P. Gibson (Queen’s University Belfast, UK), Gregory W. Henry (Tennessee State University, USA), Catherine M. Huitson (University of Colorado, USA), Heather A. Knutson (California Institute of Technology, USA), Alain Lecavelier des Etangs (CNRS, France), Frederic Pont (University of Exeter, UK), Adam P. Showman (University of Arizona, USA), Alfred Vidal-Madjar (CNRS, France), Michael H. Williamson (Tennessee State University, USA), Paul A. Wilson (CNRS, France).

Image credit: ESA/Hubble & NASA

Links

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• University of Exeter press release

Contacts

David Sing
University of Exeter
Exeter, UK
Tel: +44 1392725652
Email: sing@astro.ex.ac.uk

Hannah Wakeford
NASA Goddard Space Flight Center
Greenbelt, USA
Tel: +1 3012867975
Email: hannah.wakeford@nasa.gov

Jonathan Fortney
University of California Santa Cruz
Santa Cruz, USA
Tel: +1 8315027285
Email: jfortney@ucsc.edu

Mathias Jäger
ESA/Hubble, Public Information Officer
Garching, Germany
Tel: +49 176 62397500
Email: mjaeger@partner.eso.org