WASP-121b에서 성층권을 감지하다.

 

Credits  Illustration:   NASA ,   ESA , and G. Bacon ( STScI )    Science:   NASA ,   ESA , and T. Evans (University of Exeter)

그림1> 이 그림은 거대한 가스행성인 WASP-121b를 그린 상상화이다.

부풀어오른 형태의 이 행성은 자신의 별에 너무나 가까이 있어 별의 인력에 의해 특정 지역이 잡아당겨지면서 계란과 같은 모양을 하고 있다.

이 행성대기의 상층부는 2,500도의 온도로 끓고 있는데 이는 철을 녹이기에 충분한 온도이다.

이 행성은 태양계 바깥에서 성층권의 존재가 가장 강력한 증거로 발견된 첫번째 외계행성이다.

이 행성은 900 광년 거리에 위치하고 있다.

 

과학자들이 태양계 밖 외계행성에서 성층권의 존재를 말해주는 강력한 증거가 되는 데이터를 발견해냈다.

성층권은 대기층 중에서 높은 고도와 함께 대기 온도가 증가되는 구간을 말한다.

 

이번 논문의 공동저자인 NASA 에임스연구센터 마크 말리(Mark Marley)의 설명은 다음과 같다.

"이번 연구 결과는 매우 흥미롭습니다.

왜냐하면 따뜻한 성층권은 우리 태양계 내에서는 대부분의 행성에서 발견되는 공통적인 특성인데 이와 같은 사실이 외계행성 대기에서도 똑같이 발견되기 때문이죠.

우리는 외계행성 대기에서 발생하는 일련의 과정을 우리 태양계라는 다른 조건하에서 발생하는 동일 과정과 비교해 볼 수 있게 되었습니다."

 

네이처 지에 개재된 논문에 따르면 과학자들은 WASP-121b 라는 "뜨거운 목성형"행성에 대한 허블우주망원경의 관측 데이터를 이용하여 연구를 진행하였다.

 

이 외계행성의 질량은 목성의 1.2배이며 반경은 목성 반경의 1.9배로서 목성보다 약간은 더 부푼 모습을 하고 있는 행성이다.

목성의 경우 매 12년을 주기로 태양 주위를 한바퀴 공전하는데 반해 WASP-121b의 공전주기는 고작 1.3일밖에 되지 않는다.

 

이 외계행성은 자신의 별에 너무나 가깝게 붙어 있는 상태이다.

만약 이 상태에서 자신의 별에 약간만 더 가까운 거리까지 접근한다면 별의 중력으로 인해 이 행성은 붕괴를 시작할 것이다.

이러한 사실은 이 행성의 상층 대기가 거의 2,500도까지 가열되고 있다는 것을 의미하는데 이는 금속을 녹이기에도 충분한 온도이다.

 

WASP-121 행성계는 지구로부터 약 900 광년 거리에 존재한다.

이는 상당히 먼 거리이지만 우주적 견지로 보면 대단히 가까운 거리이다.

 

이전 연구실적으로는 WASP-33b라는 외계행성을 비롯한 몇몇 뜨거운 목성형 행성들에서 성층권이 있을 가능성이 발견된 바 있다.

(참고 : WASP-33b에 대한 2015년 6월 11일 허블사이트 발표 뉴스 : https://big-crunch.tistory.com/12348003 )

 

이번 연구에서는 지금까지 밝혀진 증거 중 최상의 증거가 제시되었다.

이 최상의 증거는 이번에 처음으로 탐지된 뜨거운 물분자이다.

 

이번 논문의 주저자인 영국 엣서터 대학교의 연구원 톰 에반스(Tom Evans)의 설명은 다음과 같다.

"이론적 모델은 이 성층권이 대단히 뜨거운 온도의 행성들을 확실히 구분지어주는 단서가 될지도 모른다는 점을 말해주고 있습니다.

이러한 사실은 행성의 대기물리학과 대기화학에 있어서도 중요한 의미가 되죠.

우리의 관측은 이러한 도식을 지지하고 있습니다."

 

WASP-121b의 성층권 연구를 위하여 과학자들은 허블우주망원경의 분광능력을 이용하여 빛의 특정 파장이 대기상의 서로 다른 분자들과 어떻게 다르게 반응하는지를 분석하고 있다.

 

예를 들어 행성 대기상의 수증기가 빛의 특정 파장에 반응하는 방식은 충분히 예견가능하다.

그 반응 방식은 물의 온도에 따라 다르게 나타나는 것이다.

별빛은 행성의 대기 깊숙이까지 뚫고 들어갈 수 있으며 그곳에서 가스의 온도가 상승할 수 있다.

그러면 그 가스는 적외선 대역에서 가열된 복사를 우주에 뿜어낸다.

그러나 그 온도가 상층 대기의 수증기보다 낮다면 물분자는 우주로 탈출해 나오는 별빛에서 특정 파장을 막아서게 된다.

그러나 만약 상층 대기의 수증기가 훨씬 더 높은 온도로 끓고 있다면 별빛은 동일한 파장에서 여전히 밝게 빛나게 될 것이다.

 

이번 논문의 공동저자인 NASA 제트추진연구소 티파니 카타리아(Tiffany Kataria)의 설명은 다음과 같다.

"물로부터 복사되는 빛이 의미하는 것은 그 온도가 대단히 높다는 것을 의미합니다.

우리는 향후 허블우주망원경을 이용한 관측을 통해 이러한 양상이 얼마나 오래 지속되는지를 탐사하게 되었다는 사실에 매우 기뻐하고 있습니다."

 

이러한 현상은 불꽃놀이에서 발생하는 현상과 비슷하다.

불꽃놀이에서 나타나는 색깔은 화학적인 복사를 이용하여 구현해 내고 있다.

 

금속 물질이 가열되고 기화할 때 전자들은 고에너지 상태로 이동하게 된다.

그 물질이 무엇이냐에 따라 이 전자들은 에너지를 잃을 때 특정 파장의 빛을 방출하게 된다.

예를 들어 이때 나트륨은 주황색을 방출하고 스트론튬은 붉은 색을 방출한다.

 

WASP-121b 대기상의 물분자 역시 에너지를 잃을때 유사한 복사를 방출한다.

그러나 이 복사는 적외선 대역에서 방출되기 때문에 인간이 맨눈으로 이를 감지하는 것은 불가능하다.

 

지구 성층권에 있는 오존은 태양으로부터 유입된 자외선을 포섭하는데 그 결과 성층권의 온도가 올라가게 되는 것이다.

태양계의 다른 천체들 역시 성층권을 가지고 있다.

예를 들어 목성이나 토성의 달인 타이탄의 성층권 온도 상승은 메탄과 관련이 있다.

 

태양계 천체들의 경우 성층권의 온도 변화폭은 대개 56도 폭으로 이루어진다.

반면 WASP-121b의 성층권 대기 온도는 560도까지나 솟아오른다.

 

WASP-121b의 대기에서 온도가 올라가는데 어떤 화학적 기재가 작용하는 것인지에 대해서는 아직 모르고 있다.

다만 이러한 유형의 외계행성과 공통성을 가지고 있으며 "실패한 별"이라 불리는 갈색난장이 별에서 주로 관측되는 산화바나듐과 산화티타늄이 그 후보로 거론되고 있다.

 

이와같은 성분들은 뜨거운 목성형 행성에서 가장 고온의 상태를 유지하고 있을 것으로 기대되는 성분들이다.

이 성분들을 가스상태로 유지하기 위해서는 대단히 높은 온도가 필요하기 때문이다.

 

이번 연구를 함께 진행한 논문의 공동자지이자 NASA 고다드우주비행센터의 한나 웨이크포드(Hannah Wakeford)는 이 뜨거운 외계행성이 우리가 가지고 있는 외계행성의 대기모델에 벤치마크가 되어줄 것이며 제임스 웹 우주망원경의 시대에 최상의 관측대상이 될 것이라고 말했다.

 

 

Credits  Illustration:  NASA ,  ESA , and A. Feild ( STScI )

 

표1> 이 도표는 외계행성에 존재하는 성층권의 존재에 대한 증거를 보여주고 있다.

지구에서 성층권은 고도와 온도가 함께 올라가는 대기권이다.

표에는 목성크기의 이 외계행성의 상층대기에서 나타난 수증기의 복사가 표현되어 있다.

이러한 결과는 실패한 별이라 불리는 갈색난쟁이별의 표와 대조된다.

갈색난쟁이별의 경우 고도가 올라갈수록 대기는 차가와지기 때문에 수증기의 복사는 흡수되고 만다.

 

출처 : 허블사이트 2017년 8월 2일 발표 뉴스

       http://hubblesite.org/news_release/news/2017-31

 

참고 : WASP-121b를 비롯한 다양한 외계행성 및 원시행성원반에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346973

 

원문>

Hubble Detects Exoplanet with Glowing Water Atmosphere

Release date: Aug 2, 2017

 

News Release number: STScI-2017-31

 

Scientists have discovered the strongest evidence to date for a stratosphere on a planet outside our solar system, or exoplanet. A stratosphere is a layer of atmosphere in which temperature increases with higher altitudes.

"This result is exciting because it shows that a common trait of most of the atmospheres in our solar system — a warm stratosphere — also can be found in exoplanet atmospheres," said Mark Marley, study co-author based at NASA's Ames Research Center in California's Silicon Valley. "We can now compare processes in exoplanet atmospheres with the same processes that happen under different sets of conditions in our own solar system."

Reporting in the journal Nature, scientists used data from NASA's Hubble Space Telescope to study WASP-121b, a type of exoplanet called a "hot Jupiter." Its mass is 1.2 times that of Jupiter, and its radius is about 1.9 times Jupiter's — making it puffier. But while Jupiter revolves around our sun once every 12 years, WASP-121b has an orbital period of just 1.3 days. This exoplanet is so close to its star that if it got any closer, the star's gravity would start ripping it apart. It also means that the top of the planet's atmosphere is heated to a blazing 4,600 degrees Fahrenheit (2,500 degrees Celsius), hot enough to boil some metals. The WASP-121 system is estimated to be about 900 light-years from Earth — a long way, but close by galactic standards.

Previous research found possible signs of a stratosphere on the exoplanet WASP-33b as well as some other hot Jupiters. The new study presents the best evidence yet because of the signature of hot water molecules that researchers observed for the first time.

"Theoretical models have suggested stratospheres may define a distinct class of ultra-hot planets, with important implications for their atmospheric physics and chemistry," said Tom Evans, lead author and research fellow at the University of Exeter, United Kingdom. "Our observations support this picture."

To study the stratosphere of WASP-121b, scientists analyzed how different molecules in the atmosphere react to particular wavelengths of light, using Hubble's capabilities for spectroscopy. Water vapor in the planet's atmosphere, for example, behaves in predictable ways in response to certain wavelengths of light, depending on the temperature of the water.

Starlight is able to penetrate deep into a planet's atmosphere, where it raises the temperature of the gas there. This gas then radiates its heat into space as infrared light. However, if there is cooler water vapor at the top of the atmosphere, the water molecules will prevent certain wavelengths of this light from escaping to space. But if the water molecules at the top of the atmosphere have a higher temperature, they will glow at the same wavelengths.

"The emission of light from water means the temperature is increasing with height," said Tiffany Kataria, study co-author based at NASA's Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, California. "We’re excited to explore at what longitudes this behavior persists with upcoming Hubble observations."

The phenomenon is similar to what happens with fireworks, which get their colors from chemicals emitting light. When metallic substances are heated and vaporized, their electrons move into higher energy states. Depending on the material, these electrons will emit light at specific wavelengths as they lose energy: sodium produces orange-yellow and strontium produces red in this process, for example. The water molecules in the atmosphere of WASP-121b similarly give off radiation as they lose energy, but in the form of infrared light, which the human eye is unable to detect.

In Earth's stratosphere, ozone gas traps ultraviolet radiation from the sun, which raises the temperature of this layer of atmosphere. Other solar system bodies have stratospheres, too; methane is responsible for heating in the stratospheres of Jupiter and Saturn's moon Titan, for example.

In solar system planets, the change in temperature within a stratosphere is typically around 100 degrees Fahrenheit (about 56 degrees Celsius). on WASP-121b, the temperature in the stratosphere rises by 1,000 degrees (560 degrees Celsius). Scientists do not yet know what chemicals are causing the temperature increase in WASP-121b's atmosphere. Vanadium oxide and titanium oxide are candidates, as they are commonly seen in brown dwarfs, "failed stars" that have some commonalities with exoplanets. Such compounds are expected to be present only on the hottest of hot Jupiters, as high temperatures are needed to keep them in a gaseous state.

"This super-hot exoplanet is going to be a benchmark for our atmospheric models, and it will be a great observational target moving into the Webb era," said Hannah Wakeford, study co-author who worked on this research while at NASA's Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland.

The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between NASA and ESA (European Space Agency). NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, manages the telescope. The Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland, conducts Hubble science operations. STScI is operated for NASA by the Association of Universities for Research in Astronomy, Inc., in Washington, D.C. The California Institute of Technology (Caltech) manages the Jet Propulsion Laboratory (JPL) for NASA.

villard@stsci.edu