WASP-19b : 티타늄 하늘을 가진 불타오르는 세계

 

Credit:ESO/M. Kornmesser

 

그림 1> 이 그림은 이번에 최초로 대기상에서 티타늄산화물이 포착된 WASP-19b의 상상화이다.

티타늄산화물이 대기상에 충분히 존재하고 있다면 이 분자들은 대기에 추가로 열이 유입되거나 유출되는 것을 막으면서 열의 역전 현상, 즉 상층 대기가 더 뜨겁고 낮은 대기는 기온이 낮은, 일반적인 상황과는 반대 상황을 만들어 내게 된다.

 

 

ESO VLT가 외계행성에서 티타늄산화물을 처음으로 감지해내다.

 

천문학자들이 ESO의 초거대망원경(Very Large Telescope, 이하 VLT)을 이용하여 사상 처음으로 외계행성대기에서 티타늄산화물을 감지해냈다.

이번 발견은 WASP-19b라는 뜨거운 목성형 행성 주위에서 FORS2를 이용하여 이뤄낸 것이다.

FORS2는 이 화염이 넘쳐나는 이 독특한 행성 대기의 화학적 구성요소와 온도, 기압구조에 대한 정보를 제공해주었다. 

이번 연구결과는 2017년 9월 14일 네이처지에 개재되었다.

 

최근 베를린 공과대학을 졸업한 ESO의 연구원 엘야르 세다그하티(Elyar Sedaghati)가 이끄는 연구팀은 외계행성 WASP-19b 의 대기를 유례없이 세밀하게 조사했다.

 

이 인상적인 외계행성은 목성과 엇비슷한 질량을 가지고 있지만 자신의 별과 너무나 가까이 붙어 있어 공전주기가 고작 19시간밖에 되지 않는다. 

따라서 이 외계행성 대기의 온도는 무려 2,000도에 육박할 것으로 추정되고 있다.

 

WASP-19b가 자신의 별인 WASP-19전면을 지날 때 별로부터 출발한 빛 중 일부는 이 행성의 대기를 통과하게 되고 이 와중에 행성의 대기 정보를 담은 미묘한 흔적을 남기게 된다. 

그리고 이 빛이 지구에 도착하게 되는 것이다.

 

 

Credit:ESO/M. Kornmesser

 

그림 2> WASP-19b가 자신의 별 전면을 통과할 때 별빛의 일부는 이 외계행성의 대기를 통과하며 미묘한 흔적을 남기게 된다. 

그리고 이 빛이 최종적으로 지구에 도착한다.

 

연구팀은 VLT에 장착된 FORS2 를 이용하여 이 빛을 주의깊게 분석할 수 있었으며 이로부터 대기에 소량의 티타늄산화물과 물, 나트륨이 존재하고 행성 전체적으로 강력한 연무가 덮고 있다는 것도 알 수 있었다.

 

ESO의 학생으로서 이번 프로젝트를 위해 2년동안 작업을 진행해온 엘야르 세다그하티의 설명은 다음과 같다. 

"이와 같은 분자들을 포착해낸 것은 보통 일이 아닙니다. 

우리는 특별히 탁월한 품질의 데이터도 필요했고 이에 대해 대단히 섬세한 분석도 수행해야 했습니다. 

결과를 도출해내기 위해 우리는 화학적 조성과 온도, 구름 또는 연무의 속성 등 분광데이터 상에 광범위하게 퍼져 있는 수백만 개의 정보를 연구하는 알고리즘을 사용했죠."

 

티타늄산화물은 지구에서는 대단히 희귀한 분자이다.

이 분자는 대개 차가운 별의 대기에 존재하는 것으로 알려져 있다.

 

이 분자는 WASP-19b와 같은 뜨거운 행성의 대기에서는 열을 흡수하는 작용을 하게 된다.

 

만약 이 분자가 대기상에 충분히 존재하고 있다면 이 분자들은 대기에 추가로 열이 유입되거나 유출되는 것을 막으면서 열의 역전 현상, 

즉 상층 대기가 더 뜨겁고 낮은 대기는 온도가 낮은, 일반적인 상황과는 반대 상황을 만들어 내게 된다.

지구 대기의 오존 역시 유사한 역할을 수행하여 성층권에서 열의 역전 현상이 나타나는 것이다.

 

또다른 연구팀의 일원인 캠프리지 대학의 천문학자 라이언 맥도날드(Ryan MacDonald)는 WASP-19b의 대기에 티타늄산화물이 존재하는 것이 대기의 온도 구조와 대기의 순환에 현저한 영향을 끼칠 수 있다고 말했다.

 

이번 관측의 이론적 해석을 감독한 캠브리지대학 니쿠 마드후스단(Nikku Madhusudhan)은 이처럼 상세한 수준으로 외계행성을 조사할 수 있는 것은 매우 흥미로운 일인 한편 앞으로의 전망을 밝게 만들어주는 일이라고 평가했다.

 

천문학자들은 WASP-19b에 대한 관측 데이터를 1년 이상 모아왔다.

 

이 행성의 대기를 투과하고 나온 서로다른 파장에서 나타나는 행성 대기의 다양한 반경 범위를 측정합으로써, 그리고 그 관측 결과를 관측된 대기 모델과 비교함으로써 천문학자들은 대기에 포함되어 있는 화학물질과 같은 서로 다른 속성들을 추정해낼 수 있다.

 

티타늄산화물과 같은 금속성산화물의 존재에 대한 정보와 또다른 물질들은 외계행성 대기에 대해 훨씬 향상된 모델을 도출하도록 만들어줄 것이다.

 

앞으로의 가능성을 보건대, 천문학자들이 생명체의 서식이 가능한 행성의 대기를 관측하기만 한다면 개선된 대기 모델은 이러한 관측 결과를 해석해 내는데 훨씬 더 향상된 아이디어를 제공해 줄 수 있게 될 것이다.

 

FORS2의 개선 프로젝트를 이끈 바 있고, 이번 연구에도 참여한 ESO 헨리 보핀(Henri Boffin)의 소감은 다음과 같다.

"이번 발견은 FORS2의 개선으로부터 나온 결과입니다. 

이 장비는 이번 프로젝트와 같은 목표에 최적화되어 있는 장비죠. 

FORS2는 지상에서 수행하는 외계행성 대기 연구를 수행하는데 있어 최상의 장비가 되었습니다."

 

 

Credit:ESO, IAU and Sky & Telescope

 

표1> 이 별지도는 돛자리에 존재하는 WASP-19의 위치를 보여주고 있다.

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Science Release  2017년 9월 13일자 

       http://www.eso.org/public/news/eso1729/

 

참고 : WASP-19b를 비롯한 외계행성 및 외계행성계에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다. 
        https://big-crunch.tistory.com/12346973

 

원문>

eso1729 — Science Release

Inferno World with Titanium Skies

ESO’s VLT makes first detection of titanium oxide in an exoplanet

13 September 2017

Astronomers using ESO’s Very Large Telescope have detected titanium oxide in an exoplanet atmosphere for the first time. This discovery around the hot-Jupiter planet WASP-19b exploited the power of the FORS2 instrument. It provides unique information about the chemical composition and the temperature and pressure structure of the atmosphere of this unusual and very hot world. The results appear today in the journal Nature.

A team of astronomers led by Elyar Sedaghati, an ESO fellow and recent graduate of TU Berlin, has examined the atmosphere of the exoplanet WASP-19b in greater detail than ever before. This remarkable planet has about the same mass as Jupiter, but is so close to its parent star that it completes an orbit in just 19 hours and its atmosphere is estimated to have a temperature of about 2000 degrees Celsius.

As WASP-19b passes in front of its parent star, some of the starlight passes through the planet’s atmosphere and leaves subtle fingerprints in the light that eventually reaches Earth. By using the FORS2 instrument on the Very Large Telescopethe team was able to carefully analyse this light and deduce that the atmosphere contained small amounts of titanium oxide, water and traces of sodium, alongside a strongly scattering global haze.

“Detecting such molecules is, however, no simple feat,” explains Elyar Sedaghati, who spent 2 years as ESO student to work on this project. “Not only do we need data of exceptional quality, but we also need to perform a sophisticated analysis. We used an algorithm that explores many millions of spectra spanning a wide range of chemical compositions, temperatures, and cloud or haze properties in order to draw our conclusions.”

Titanium oxide is rarely seen on Earth. It is known to exist in the atmospheres of cool stars. In the atmospheres of hot planets like WASP-19b, it acts as a heat absorber. If present in large enough quantities, these molecules prevent heat from entering or escaping through the atmosphere, leading to a thermal inversion — the temperature is higher in the upper atmosphere and lower further down, the opposite of the normal situation. Ozone plays a similar role in Earth’s atmosphere, where it causes inversion in the stratosphere.

“The presence of titanium oxide in the atmosphere of WASP-19b can have substantial effects on the atmospheric temperature structure and circulation.” explains Ryan MacDonald, another team member and an astronomer at Cambridge University, United Kingdom. “To be able to examine exoplanets at this level of detail is promising and very exciting.” adds Nikku Madhusudhan from Cambridge University who oversaw the theoretical interpretation of the observations.

The astronomers collected observations of WASP-19b over a period of more than one year. By measuring the relative variations in the planet’s radius at different wavelengths of light that passed through the exoplanet’s atmosphere and comparing the observations to atmospheric models, they could extrapolate different properties, such as the chemical content, of the exoplanet’s atmosphere.

This new information about the presence of metal oxides like titanium oxide and other substances will allow much better modeling of exoplanet atmospheres. Looking to the future, once astronomers are able to observe atmospheres of possibly habitable planets, the improved models will give them a much better idea of how to interpret those observations.

“This important discovery is the outcome of a refurbishment of the FORS2 instrument that was done exactly for this purpose,” adds team member Henri Boffin, from ESO, who led the refurbishment project. “Since then, FORS2 has become the best instrument to perform this kind of study from the ground.”

More information

This research was presented in the paper entitled “Detection of titanium oxide in the atmosphere of a hot Jupiter” by Elyar Sedaghati et. al. to appear in Nature.

The team is composed of Elyar Sedaghati (ESO; Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Germany; and TU Berlin, Germany), Henri M.J. Boffin (ESO), Ryan J. MacDonald (Cambridge University, UK), Siddharth Gandhi (Cambridge University, UK), Nikku Madhusudhan (Cambridge University, UK), Neale P. Gibson (Queen’s University Belfast, UK), Mahmoudreza Oshagh (Georg-August-Universität Göttingen, Germany), Antonio Claret (Instituto de Astrofísica de Andalucía - CSIC, Spain) and Heike Rauer (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Germany and TU Berlin, Germany).

ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It is supported by 16 countries: Austria, Belgium, Brazil, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Poland, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom, along with the host state of Chile. ESO carries out an ambitious programme focused on the design, construction and operation of powerful ground-based observing facilities enabling astronomers to make important scientific discoveries. ESO also plays a leading role in promoting and organising cooperation in astronomical research. ESO operates three unique world-class observing sites in Chile: La Silla, Paranal and Chajnantor. At Paranal, ESO operates the Very Large Telescope and its world-leading Very Large Telescope Interferometer as well as two survey telescopes, VISTA working in the infrared and the visible-light VLT Survey Telescope. ESO is also a major partner in two facilities on Chajnantor, APEX and ALMA, the largest astronomical project in existence. And on Cerro Armazones, close to Paranal, ESO is building the 39-metre Extremely Large Telescope, the ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.

Links

• Research paper in Nature
• Photos of ESO’s Very Large Telescope

Contacts

Elyar Sedaghati
ESO Fellow
Vitacura, Santiago, Chile
Tel: +56 2 2463 6537
Email: esedagha@eso.org

Henri Boffin
ESO
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Tel: +49 89 3200 6542
Email: hboffin@eso.org

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