2M1207b 의 자전속도를 측정하다.

 

Artwork Credit: NASA, ESA, and G. Bacon (STScI) Science Credit: NASA, ESA, and Y. Zhou (University of Arizona)

 

그림 1> 이 그림은 갈색 난쟁이별로부터 80억 킬로미터 거리에 위치하고 있으며 목성 질량의 4배 질량을 가진 외계행성을 상상으로 그려본 것이다.
(갈색 난쟁이별은 배경에 밝은 붉은 색 점으로 표현되어 있다.)
이 슈퍼목성의 자전율 측정이, 다양한 변화를 보이는 구름잔뜩 낀 대기를 통해 나오는 적외선 복사의 미세한 변화를 측정함으로써 이루어졌다.

이 행성은 매 10시간마다 1회 자전을 완료하고 있었다. 이는 목성과 비슷한 속도이다.
이 행성은 아직 만들어진지 얼마 되지 않아 중력수축을 계속하고 있으며 이 과정에서 상당한 열을 복사해내고 있다.
이 행성의 대기는 너무나 뜨거운 상태여서 액체 상태의 유리가 비처럼 내리고 있으며 낮은 고도에서는 액체상태의 철이 비처럼 내리고 있다.
이 행성까지의 거리는 고작 170광년밖에 되지 않아 시리우스나 포말하우트, 센타우루스자리 알파별을 비롯하여 지구에서 볼 수 있는 밝은 별들을 이 행성이 자리잡고 있는 곳에서도 볼 수 있다.
그림의 배경에 프로키온(Procyon)과 알타이르(Altair) 사이로 태양이 희미하게 보인다.
 

 

천문학자들이 허블우주망원경을 이용하여 대기 상의 다양한 밝기를 관측함으로써 극단적인 외계행성의 자전율을 측정해냈다.

직접적인 사진촬영을 통해 무거운 질량을 가진 외계행성의 자전을 측정해내기는 이번이 처음이다.

 

허블 탐사 책임자인 아리조나 대학 다니엘 아파이(Daniel Apai)는 외계행성의 대기와 그 자전율을 탐사할 수 있는 독특한 기술을 알려주고 있다는 측면에서 이번 연구 결과가 매우 흥미롭다고 평가했다. 
 
2M1207b 이라는 이름의 이 외계행성은 목성 대비 4배의 질량을 가지고 있는 슈퍼목성급 행성이다.
이 행성은 갈색 난쟁이별이라고 알려진, 별이 되지 못한 천체와 짝을 이루고 있으며 서로 80억 킬로미터의 간격을 두고 공전하고 있다.
(참고로 목성의 경우는 태양으로부터 8억 킬로미터 거리에 위치하고 있다. )

 

갈색 난쟁이 별은 2M1207로 알려져 있다.

갈색 난쟁이별 2M1207과 외계행성 2M1207b는 지구로부터 170 광년 거리에 위치하고 있다.

 

Credit: NASA, ESA, and Y. Zhou (University of Arizona)

 

사진 1>
[왼쪽] - 지구로부터 170 광년 거리에 위치하는 갈색 난쟁이별 2M1207을 근적외선을 촬영한 허블우주망원경의 사진이다.

이 천체의 질량은 목성의 30배를 넘지 않으며 이처럼 낮은 질량으로인해 핵융합을 통한 별로서 빛을 내는데 실패한 상태이다.

[오른쪽]-갈색 난쟁이 별의 빛을 사진에서 제거하면 좀더 작고 희미한 동반천체가 그 모습을 드러낸다.
목성 질량의 4배 정도 질량을 가진 이 동반천체는 "슈퍼목성(super-Jupiter)"으로 불린다.
이 행성의 지름은 목성 지름 대비 40퍼센트 정도 더 길다.
이 행성이 갈색 난쟁이별로부터 떨어져 있는 거리는 80억 킬로미터인데 이는 태양과 해왕성까지 거리의 약 2배에 해당하는 거리이다.
이 행성의 나이는 1천만 년이며 현재 너무나도 뜨거운 상태여서 그 대기에는 유리와 철로 된 비가 내리는 상태인 것으로 보인다.
허블우주망원경은 이 행성에서 나타나는 밝기 변화를 측정하여 이 행성이 구름을 누덕누덕 뒤집어 쓰고 있는 상태이며 매 10시간마다 1회 자전을 완료한다는 것을 측정해냈다.

 

허블우주망원경의 안정적인 사진촬영 능력, 높은 해상도와 높은 대비율의 화상화 능력은 천문학자들로 하여금 이 행성이 자전하는 동안 나타나는 밝기의 변화를 정확하게 측정할 수 있도록 해 주었다.

 

과학자들은 다양하게 나타나는 밝기 변화가 이 행성 대기의 복잡한 구름 패턴 때문에 나타나는 것으로 생각하고 있다.
이번 허블우주망원경의 관측치는 이러한 구름들의 존재를 입증해주는 것일 뿐 아니라 색깔이 없는 구름층이 불규칙하게 떠 있으면서 잔뜩 찌뿌린 상태임을 말해주고 있다.

 

천문학자들이 허블우주망원경을 이용하여 이 외계행성을 처음으로 관측한 것은 10년 전의 일이다.
당시 관측 결과 이 외계행성의 대기는 너무나 뜨거워서 규산염 구름에서 비가 내리기에도 충분할 정도였다.
규산염 구름이란 수증기화 된 바위가 담배 연기 알갱이와 비슷한 미세한 입자 크기로 굳어져 만들어진 구름을 말한다. 
 
대기 깊숙히 들어갈수록 철 물방울들이 형성되고 마치 비처럼 내리게 되며, 최종적으로 가장 깊은 곳에서 증발하게 된다.

 

이번 논문의 주저자인 아리조나 대학 주이판(Yifan Zhou)의 설명은 다음과 같다.
"따라서 높은 고도에서는 유리의 비가 내리고 있고, 낮은 고도에서는 철로 된 비가 내리고 있는 셈입니다.
 이 대기의 온도는 섭씨 1,200도에서 1,400도 수준이죠. "

 

이 슈퍼목성은 너무나 뜨거운 온도를 가지고 있다보니 적외선에서 매우 밝게 나타난다.
천문학자들은 허블 WFC2를 이용하여 이 외계행성을 적외선을 이용하여 분석하였고, 이 외계행성을 뒤덮고 있는 구름과 그 회전율을 조사하였다.

 

 

Credit: NASA, ESA, Y. Zhou (University of Arizona), and P. Jeffries (STScI)

 

표1> 이 그래프는 허블우주망원경으로 측정한 슈퍼목성 2M1207b의 적외선 밝기 변화를 보여주고 있다.
S자 모양의 곡성은 데이터로 나타난 결과를 연역한 것이다.
이 사인곡선은 이러한 밝기 변화가 10시간 주기의 자전 때문에 나타난 밝기 변화임을 말해주는 것이다.

수직 축에서는 미세한 밝기 변화를 보여주고 있다.
이러한 미세한 변화는 이 행성이 군데군데 구름을 뒤집어 쓰고 있음을 의미하는 것으로 보인다.
170 광년이라는 거리는 허블우주망원경으로서는 그 대기 구조를 분해해 내기에는 너무나 먼 거리이다.

 

 

이 행성의 나이는 고작 1천만 년 밖에 되지 않았고, 여전히 수축되고 있는 한편 열기가 식어가는 과정에 있다.
참고로 우리 태양계 목성의 나이는 약 45억년이다.

 

그러나 이 행성은 현재와 같이 극단적인 온도가 계속 유지되지는 않을 것이다.
향후 수십억년간 이 천체는 드라마틱하게 식어가면서 그 빛도 희미해질 것이다.
온도가 점점 내려갈 수록 철과 규소로 이루어진 구름 역시 점점 고도를 낮춰가면서 결국 시야에서 사라지게 될 것이다.

 

주이판과 연구팀원들은 이 행성이 매 10시간마다 한 번 자전한다는 것을 밝혀냈다.
이러한 회전율은 우리 목성과 거의 비슷한 수준이다.

 

이 슈퍼목성의 질량은 자신의 별인 갈색 난쟁이 별 대비 5배에서 7배 정도 낮은 수준이다.
이를 우리 태양계와 비교해보면 태양의 경우는 목성보다 무려 1,000배나 더 무거운 별이다.

 

주이판은 따라서 우리 태양계와는 완전히 다른 행성계를 연구하는데 있어 2M1207계는 매우 적절한 대상이 된다고 평가했다.

 

태양 주위를 도는 행성들은 강착을 통해 태양 주위를 돌던 원반 상에서 형성되었다.
그러나 이 슈퍼목성과 2M1207은 서로 떨어져 있던 한쌍의 원반 내에서 중력 붕괴를 통해 형성된 것으로 보인다.

 

아파이의 소감은 다음과 같다.
"우리의 연구 결과는 허블우주망원경과 허블우주망원경을 잇게 될 제임스웹 우주망원경을 통해 이 외계행성의 구름지도를 그려낼 수 있게 될 것이라는 점을 보여주고 있습니다." 
 
제임스웹우주망원경에 있어 슈퍼목성급의 행성은 이상적인 탐사대상이 될 것이다.
제임스웹우주망원경은 2018년 발사될 예정이다.

 

제임스웹우주망원경은 이번에 허블우주망원경에 의해 시연된 새로운 기술을 이용하여 외계행성 대기의 조성과 그 밝기 변화를 이용한 보다 세밀한 지도를 그려냄으로써 외계행성에 대한 천문학자들의 이해를 향상시키는데 도움을 줄 것이다.

 

이번 연구결과는 2016년 2월 18일 천체물리학저널(The Astrophysical Journal.)에 개재되었다.

 

출처 : 허블사이트 2016년 2월 18일 발표 뉴스
         http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2016/05/

 

참고 : 2M1207b를 비롯한 각종 외계행성에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346973

 

 

원문>

News Release Number: STScI-2016-05

Hubble Directly Measures Rotation of Cloudy 'Super-Jupiter'

Astronomers using NASA's Hubble Space Telescope have measured the rotation rate of an extreme exoplanet by observing the varied brightness in its atmosphere. This is the first measurement of the rotation of a massive exoplanet using direct imaging.

"The result is very exciting," said Daniel Apai of the University of Arizona in Tucson, leader of the Hubble investigation. "It gives us a unique technique to explore the atmospheres of exoplanets and to measure their rotation rates."

The planet, called 2M1207b, is about four times more massive than Jupiter and is dubbed a "super-Jupiter." It is a companion to a failed star known as a brown dwarf, orbiting the object at a distance of 5 billion miles. By contrast, Jupiter is approximately 500 million miles from the sun. The brown dwarf is known as 2M1207. The system resides 170 light-years away from Earth.

Hubble's image stability, high resolution, and high-contrast imaging capabilities allowed astronomers to precisely measure the planet's brightness changes as it spins. The researchers attribute the brightness variation to complex clouds patterns in the planet's atmosphere. The new Hubble measurements not only verify the presence of these clouds, but also show that the cloud layers are patchy and colorless.

Astronomers first observed the massive exoplanet 10 years ago with Hubble. The observations revealed that the exoplanet's atmosphere is hot enough to have "rain" clouds made of silicates: vaporized rock that cools down to form tiny particles with sizes similar to those in cigarette smoke. Deeper into the atmosphere, iron droplets are forming and falling like rain, eventually evaporating as they enter the lower levels of the atmosphere.

"So at higher altitudes it rains glass, and at lower altitudes it rains iron," said Yifan Zhou of the University of Arizona, lead author on the research paper. "The atmospheric temperatures are between about 2,200 to 2,600 degrees Fahrenheit."

The super-Jupiter is so hot that it appears brightest in infrared light. Astronomers used Hubble's Wide Field Camera 3 to analyze the exoplanet in infrared light to explore the object's cloud cover and measure its rotation rate. The planet is hot because it is only about 10 million years old and is still contracting and cooling. For comparison, Jupiter in our solar system is about 4.5 billion years old.

The planet, however, will not maintain these sizzling temperatures. Over the next few billion years, the object will cool and fade dramatically. As its temperature decreases, the iron and silicate clouds will also form lower and lower in the atmosphere and will eventually disappear from view.

Zhou and his team have also determined that the super-Jupiter completes one rotation approximately every 10 hours, spinning at about the same fast rate as Jupiter.

This super-Jupiter is only about five to seven times less massive than its brown-dwarf host. By contrast, our sun is about 1,000 times more massive than Jupiter. "So this is a very good clue that the 2M1207 system we studied formed differently than our own solar system," Zhou explained. The planets orbiting our sun formed inside a circumstellar disk through accretion. But the super-Jupiter and its companion may have formed throughout the gravitational collapse of a pair of separate disks.

"Our study demonstrates that Hubble and its successor, NASA's James Webb Space Telescope, will be able to derive cloud maps for exoplanets, based on the light we receive from them," Apai said. Indeed, this super-Jupiter is an ideal target for the Webb telescope, an infrared space observatory scheduled to launch in 2018. Webb will help astronomers better determine the exoplanet's atmospheric composition and derive detailed maps from brightness changes with the new technique demonstrated with the Hubble observations.

Results from this study will appear in the Feb. 18, 2016, edition of The Astrophysical Journal.

CONTACT

Donna Weaver / Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland
410-338-4493 / 410-338-4514
dweaver@stsci.edu / villard@stsci.edu