TRAPPIST-1의 행성들이 물을 가지고 있을 가능성을 탐지하다.

 

Credit: ESO/N. Bartmann/spaceengine.org

 

그림1> 이 상상화는 TRAPPIST-1 행성계에 있는 임의의 행성 표면을 바라본 모습을 담고 있다.

대단히 온도가 낮은 이 40광년 거리의 난쟁이별은 최소한 9개의 행성을 품고 있는데 이들은 모두 지구와 비슷한 크기를 가진 행성들이다.

이 행성들 중 몇몇은 자신의 별로부터 적당한 거리를 유지하고 있어 그 표면에 액체로 된 물을 보유하고 있다.

이 상상화는 지금까지 알려진 이 행성계의 물리적 속성과 방대한 관측 데이터를 기반으로 그려진 것이다.

 

 

천문학자들로 이루어진 국제연구팀이 허블우주망원경을 이용하여 근거리의 난쟁이별 TRAPPIST-1 주위를 돌고 있는 7개의 지구 크기의 행성에 물이 존재할 가능성을 측정하였다.

그 결과 외곽쪽에 자리잡은 행성들이 상당한 양의 물을 가지고 있을 가능성을 보여주었다.

여기에는 생명체서식가능구역에 위치하고 있는 7개의 행성들이 포함되어 있으며 이로서 이곳에 생명체가 서식할 가능성에 상당한 무게가 더해졌다.

 

 

2017년 2월 22일, 천문학자들이 대단히 낮은 온도를 유지하고 있는 40광년 거리의 난쟁이별 TRAPPIST-1 주위를 공전하는 지구크기의 7개 행성발견 소식을 전한 바 있다[1].

이로서 TRAPPIST-1 행성계는 지구 크기의 행성을 가장 많이 거느리고 있는 행성계가 되었다.

 

이러한 발견에 이어 제네바대학 천문대의 스위스 천문학자인 빈센트 뷰리어(Vincent Bourrier)가 이끄는 국제연구팀이 허블우주망원경에 장착되어 있는 우주망원경분광기(used the Space Telescope Imaging Spectrograph, STIS)를 이용하여 각 행성에서 발생하는 자외선복사량에 대한 연구를 진행하였다.

 

뷰리어의 설명은 다음과 같다.

"자외선 복사는 행성의 대기신호를 연구하는데 있어 중요한 요소입니다.

태양의 자외선이 분자를 파괴시키는 우리 지구의 대기와 같이 자외선 별빛은 외계행성 대기의 수증기를 파괴시켜 수소와 산소로 분리시킵니다."

 

저에너지 자외선 복사가 물분자를 파괴시키는 이른바 광분해 현상을 만들어내는반면 고에너지 자외선(XUV 복사)과 X선은 상층 대기를 가열시키게 되는데 이로써 광분해된 수소와 산소가 우주공간으로 탈출해 나가게 된다.

 

이런 과정을 거쳐 외계행성의 대기에서 빠져나온 수소가스는 매우 밝기 때문에 허블우주망원경에 의해 포착되고, 이로서 대기상에 수증기가 존재한다는 단서를 얻게 되는 것이다 [2].

 

TRAPPIST-1 에서 관측된 자외선 복사량은 이 행성들이 오랜 시간동안 어마어마한 양의 물을 잃어가고 있음을 말해주고 있다.

이러한 사실은 특히 가장 안쪽에 이는 두 개의 행성에 적용되는데 TRAPPIST-1b와 TRAPPIST-1c 라는 이름의 이 행성들은 자신의 별로부터 가장 많은 양의 자외선 에너지를 받아내고 있다.

 

이번 논문의 공동저자인 미국 MIT의 줄리엔 드 위트(Julien de Wit)는 대기상에서 관측되는 수증기의 탈출 현상이 이 행성들이 진화하는데 있어 중요한 역할을 수행할 가능성을 보여주고 있다고 말했다.

 

가장 안쪽에 있는 행성들은 지난 80억년 동안 20개의 지구가 품고 있는 물과 맞먹는 양의 물을 잃어왔을 것으로 추정된다.

 

그러나 생명체 서식 가능구역 상에 존재하는 TRAPPIST-1e, TRAPPIST-1f, TRAPPIST-1g를 비롯한 바깥쪽 행성들은 이보다는 훨씬 적은 양의 물을 잃었을 것이기 때문에 행성 표면에 보유하고 있는 물이 여전히 있을 것으로 생각된다. [3]

계산된 물 손실 비율 뿐 아니라 지구물리학적으로 예측된 물의 손실비율 역시 바깥쪽에 비교적 무거운 질량을 가진 행성들이 여전히 물을 보유하고 있을 것이라는 추정을 지지해주고 있다.

 

그러나 현재 활용 가능한 데이터와 망원경으로는 TRAPPIST-1 주위를 도는 행성들이 물을 보유하고 있음을 확실하게 최종적으로 결론낼 수가 없는 상황이다.

 

뷰리어의 소감은 다음과 같다.

"TRAPPIST-1 행성계에서 비교적 외곽을 도는 행성들은 향후 제임스 웹 우주망원경을 이용하여 물의 존재 여부를 확인할 최상의 후보행성들입니다. 

이 행성들은 또한 이론적 연구와 이를 보완하기 위한 모든 파장에서의 관측에 집중할 필요가 있죠. 

바로 이 행성들의 특성과 생명체의 서식이 가능한지 여부를 판단하기 위해서 말입니다."

 

 

Credit:ESO

 

그림 2> 이 그림은 태양과 TRAPPIST-1을 비교한 것이다.

이 희미한 별은 태양 직경의 11% 크기밖에 되지 않으며 그 색깔은 훨씬 더 붉은 빛이다.

TRAPPIST-1 주위에서 발견된 행성들은 태양 대비 수성의 거리보다 훨씬 더 자신의 별에 가깝게 위치하기 때문에 이 행성들이 자신의 별로부터 받는 복사량은 태양계의 금성이나 지구, 화성과 비슷할 것으로 추정되고 있다.

 

 

Credit:NASA/R. Hurt/T. Pyle

 

그림3> 이 그림은 TRAPPIST-1  주위 행성들의 크기로 비교한 것으로서 TRAPPIST-1 으로부터의 거리에 기반하여 순서대로 나열한 것이다.

각 행성의 표면은 전적으로 화가의 상상에 근거한 것이다.

 

Credit:NASA

 

그림4> 이 상상화는 다양한 TRAPPIST-1 행성계 전체 모습을 다양한 주기에 있는 행성들과 함께 상상해 본 것이다.

그림에는 자신의 별 전면을 가로질러가는 행성 두 개가 보인다. 

이러한 행성들은 별의 밝기를 일정부분 감소하게 만들고 바로 이 감소분이 지구에서 포착되는 것이다.

또한 이러한 통과현상을 통해 천문학자들은 해당 행성의 대기 특성을 가늠해 볼 수 있다.

 

각주

[1] 이 행성들을 발견하기까지는 다음과 같은 관측설비들이 동원되었다. 

칠레 ESO 라실라 천문대의 TRAPPIST-South 망원경, NASA 스피처 우주망원경, 모로코의 TRAPPIST-North 망원경, 칠레 파라날 천문대의 ESO 초거대망원경에 장착된 HAWK-I 장비, 하와이 UKIRT 3.8미터 망원경, 카나리 제도 라팔마 섬의 2미터 리버풀 망원경과 4미터 윌리엄 허셜 망원경, 남아프리카의 1미터 SAAO 망원경.

 

[2] 이러한 현상이 발생하는 대기부분을 외기권이라 부른다.

지구의 외기권은 주로 헬륨과 이산화탄소, 산소 원자의 표지가 되는 수소로 구성되어 있다.

 

[3] 이번 연구결과는 이 행성들 각각이 지구의 3개 대양보다도 적은 양의 물을 잃었을 것임을 보여주고 있다.

 

출처 : 유럽우주국(ESA) 허블 2017년 8월 31일 발표 뉴스

        http://www.spacetelescope.org/news/heic1713/

 

참고 : TRAPPIST-1을 비롯한 다양한 외계행성 및 원시행성원반에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346973

 

원문>

heic1713 — Science Release

Hubble delivers first hints of possible water content of TRAPPIST-1 planets

31 August 2017

An international team of astronomers used the NASA/ESA Hubble Space Telescope to estimate whether there might be water on the seven earth-sized planets orbiting the nearby dwarf star TRAPPIST-1. The results suggest that the outer planets of the system might still harbour substantial amounts of water. This includes the three planets within the habitable zone of the star, lending further weight to the possibility that they may indeed be habitable.

On 22 February 2017 astronomers announced the discovery of seven Earth-sized planets orbiting the ultracool dwarf star TRAPPIST-1, 40 light-years away [1]. This makes TRAPPIST-1 the planetary system with the largest number of Earth-sized planets discovered so far.

Following up on the discovery, an international team of scientists led by the Swiss astronomer Vincent Bourrier from the Observatoire de l’Université de Genève, used the Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) on the NASA/ESA Hubble Space Telescope to study the amount of ultraviolet radiation received by the individual planets of the system. “Ultraviolet radiation is an important factor in the atmospheric evolution of planets,” explains Bourrier. “As in our own atmosphere, where ultraviolet sunlight breaks molecules apart, ultraviolet starlight can break water vapour in the atmospheres of exoplanets into hydrogen and oxygen.”

While lower-energy ultraviolet radiation breaks up water molecules — a process called photodissociation — ultraviolet rays with more energy (XUV radiation) and X-rays heat the upper atmosphere of a planet, which allows the products of photodissociation, hydrogen and oxygen, to escape.

As it is very light, hydrogen gas can escape the exoplanets’ atmospheres and be detected around the exoplanets with Hubble, acting as a possible indicator of atmospheric water vapour [2]. The observed amount of ultraviolet radiation emitted by TRAPPIST-1 indeed suggests that the planets could have lost gigantic amounts of water over the course of their history.

This is especially true for the innermost two planets of the system, TRAPPIST-1b and TRAPPIST-1c, which receive the largest amount of ultraviolet energy. “Our results indicate that atmospheric escape may play an important role in the evolution of these planets,” summarises Julien de Wit, from MIT, USA, co-author of the study.

The inner planets could have lost more than 20 Earth-oceans-worth of water during the last eight billion years. However, the outer planets of the system — including the planets e, f and g which are in the habitable zone — should have lost much less water, suggesting that they could have retained some on their surfaces [3]. The calculated water loss rates as well as geophysical water release rates also favour the idea that the outermost, more massive planets retain their water. However, with the currently available data and telescopes no final conclusion can be drawn on the water content of the planets orbiting TRAPPIST-1.

“While our results suggest that the outer planets are the best candidates to search for water with the upcoming James Webb Space Telescope, they also highlight the need for theoretical studies and complementary observations at all wavelengths to determine the nature of the TRAPPIST-1 planets and their potential habitability,” concludes Bourrier.

Notes

[1] The planets were discovered using: the ground-based TRAPPIST-South at ESO’s La Silla Observatory in Chile; the orbiting NASA Spitzer Space Telescope; TRAPPIST-North in Morocco; ESO’s HAWK-I instrument on the Very Large Telescope at the Paranal Observatory in Chile; the 3.8-metre UKIRT in Hawaii; the 2-metre Liverpool and 4-metre William Herschel telescopes at La Palma in the Canary Islands; and the 1-metre SAAO telescope in South Africa.

[2] This part of an atmosphere is called the exosphere. Earth’s exosphere consists mainly of hydrogen with traces of helium, carbon dioxide and atomic oxygen.

[3] Results show that each of these planets have may have lost less than three Earth-oceans of water.

More information

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

The team of the study is composed of V. Bourrier (Observatoire de l’Université de Genève, Switzerland), J. de Witt (Massachusetts Institute of Technology, USA), E. Bolmont (Laboratoire AIM Paris-Saclay), V. Stamenkovic (Jet Propulsion Laboratory, USA; California Institute of Technology, USA), P. J. Wheatley (University of Warwick, UK), A. J. Burgasser (University of California San Diego, USA), L. Delrez (Cavendish Laboratory, UK), B.-O. Demory (University of Bern, Switzerland), D. Ehrenreich (Observatoire de l’Université de Genève, Switzerland), M. Gillon (Université de Liège, Belgium), E. Jehin (Université de Liège, Belgium), J. Leconte (Université Bordeaux, France), S. M. Lederer (NASA Johnson Space Center, USA), N. Lewis (Space Telescope Science Institute, USA), A. H. M. J. Triaud A. H. M. J. Triaud (Institute of Astronomy, Cambridge, UK, now at University of Birmingham, UK) and V. van Grootel (Université de Liege, Belgium)

Image credit: NASA, ESA, ESO

Links

• Images of Hubble
• ESO release on the discovery of the planets
• Science paper
• Webpage on TRAPPIST-1
• University Geneva press release (french)

Contacts

Vincent Bourrier
Observatoire de l’Université de Genève
Sauverny, Switzerland
Tel: +41 22 379 24 49
Email: vincent.bourrier@unige.ch

Julien de Wit
Massachusetts Institute of Technology
Cambridge, USA
Tel: +1 617 258 0209
Email: jdewit@mit.edu

Mathias Jäger
ESA/Hubble, Public Information Officer
Garching bei Múnchen, Germany
Tel: +49 176 62397500

Email: mjaeger@partner.eso.org