WASP-12b : 칠흑같이 검은 외계행성

 

Credit:NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)

그림1> 

이 상상화는 갓 캐낸 아스팔트처럼 새까맣기만 한 외계행성 WASP-12b의 모습을 그려본 것이다.

과학자들은 이 행성이 반사해내는 빛의 양인 알베도를 측정하였으며 그 결과 가시광선 파장에서 극히 어둡게 보인다는 것을 알게 되었다.

 

천문학자들이 외계행성 WASP-12b가 빛을 거의 반사히지 않아 칠흑같은 검은 색을 띤다는 사실을 발견하다.

이번 발견은 이 행성이 가지고 있는 대기의 구성요소를 규명하고 예전에 수립된 이 행성의 대기에 대한 가설을 반박하는 근거를 제공해 주고 있다.

이번 연구 결과는 또한 유사한 크기의 또다른 외계행성 관측 결과와는 극명한 대비를 보여주고 있다.

 

캐나다 맥길 대학과 영국 엣서터 대학교의 천문학자들이 이끄는 국제연구팀은 허블우주망원경에 장착된 우주망원경화상분광기(the Space Telescope Imaging Spectrograph, 이하 STIS)를 이용하여 WASP-12b의 알베도(albedo), 즉 얼마나 많은 양의 빛을 반사해내는지를 측정하였다. 

이번 측정은 이 행성 대기의 구성 성분을 좀더 알고자 하는 목적이 있었다.[1]

 

외계행성탐사연구소 (the Institute for Research on Exoplanets)의 일원이자 맥길대학 천문학과의 석사인 논문의 주저자 테일러 벨(Taylor Bell)은 

이번 연구결과가 가지고 있는 놀라움을  다음과 같이 설명하였다. 

"WASP-12b의 알베도 측정치는 최대 0.064입니다. 

이건 정말 낮은 수치입니다.

이 행성의 밝기가 이제 막 캐낸 아스팔트보다도 훨씬 더 어둡다는 것을 말해주죠." 

 

달의 알베도가 0.12이므로 이는 WASP-12b가 달보다 2배다 적은 양의 빛을 반사하고 있음을 말해주는 결과이다.[2]

 

벨은 이 행성의 낮은 알베도는 우리가 여전히 이 행성 및 이와 유사한 외계행성에 대해 알아야 할 것이 더 많다는 것을 의미한다고 말했다.

 

WASP-12b는 태양과 유사한 별인 WASP-12A 주위를 돌고 있다. 

이 별은 1,400 광년 거리에 위치하기 때문에 2008년 발견 이래 지금까지 가장 많은 연구가 수행된 외계행성계 중 하나이다. 

(참고링크 : 물의 신호가 포착된 다섯 개 외계행성

             https://www.spacetelescope.org/images/opo1015a/

             https://www.spacetelescope.org/images/opo1436b/

             외계행성 대기의 다양성을 밝혀내다 )

 

목성의 두 배 정도에 해당하는 반경을 가지고 있으며 공전주기는 지구의 하루를 약간 상회하는 WASP-12b는 뜨거운 목성형 행성으로 분류된다.

 

이 행성이 자신의 별에 너무나 바짝 붙어 있다보니 별로부터 받는 중력으로 인해 WASP-12b의 형태는 계란 형태로 찌그러져 있으며 

별빛을 받고 있는 쪽의 표면 온도는 2,600도에 육박한다.

이처럼 높은 온도가 이 행성이 낮은 알베도의 전적인 원인일 것으로 생각되고 있다.

 

벨의 설명은 다음과 같다. 

"대단히 검게 보이는 뜨거운 목성형 행성들이 또 있습니다만 이 행성들의 온도는  WASP-12b보다는 훨씬 낮습니다. 

이 행성들은 구름이나 알칼리 금속과 같은 것들이 빛을 흡수하는 원인이 될 것으로 생각됩니다. 

그러나 WASP-12b는 온도가 너무 높다보니 이러한 작용이 일어날 수 없죠."

 

WASP-12b의 주간반구는 온도가 너무 높다보니 구름이 생길수도 없고 알칼리 금속은 이온화되어 버린다.

 

그 온도가 너무 뜨겁다 보니 수소 분자가 수소 원자로 분해되어 버리고 그 결과 이 행성의 대기는 행성의 대기라기보다는 질량이 적은 별의 대기처럼 되어 버리고 만다.

바로 이것이 낮은 알베도를 야기시킨다는 것이다.

 

WASP-12b의 알베도를 측정하기 위해 과학자들은 2016년 10월, 이 행성이 보름의 모습을 보이다가 자신의 별 뒤쪽으로 돌아들어가는 동안 관측을 진행하였다.

이는 행성에서 반사되는 빛의 양을 직접적으로 측정하는 방법을 포함하고 있는, 외계행성의 알베도를 측정하는 최상의 방법이다.

대신 이 기술은 전통적으로 사용되는 통과 관측에 비해 10배 이상의 정밀도를 필요로 한다.

 

과학자들은 허블우주망원경에 장착된 STIS를 이용하여 서로 다른 여러 파장에서 WASP-12b의 알베도를 측정할 수 있었다.

 

이번 논문의 공동저자인 엣서터 대학, 니콜라이 니코로프(Nikolay Nikolov)의 설명은 다음과 같다.

"알베도를 측정한 후 우리는 그 결과를 예전에 측정한 WASP-12b의 대기모델로부터 만들어진 분광모델과 비교해 보았습니다. 

그 결과 이전 자료가 이번에 제기한 모델과는 전혀 맞지 않다는 것을 알게 되었죠."[3]

 

이번 데이터는 WASP-12b의 대기가 원자상태의 수소와 헬륨으로 구성되어 있다는 점을 말해주고 있다.

 

알베도 측정치가 분광학적으로 완전히 해석된 행성으로 WASP-12b는 고작 두 번째 행성이다. 

첫번째 행성은 HD 189733b라는 또다른 뜨거운 목성형 행성이었다.

 

벨과 그의 연구팀이 집계한 데이터는 이들 행성에서 반사되는 빛이 스펙트람 상에서 파란색 쪽을 더 많이 반사해내는지 아니면 빨간색 쪽을 더 많이 반사해내는지를 결정할 수 있게 해 주었다.

 

그 결과 HD 189733의 경우는 깊은 파란색을 가지고 있음을 보여준 반면(참고 : https://www.spacetelescope.org/news/heic1312/)

WASP-12b는 그 어느 파장에서도 빛을 반사해내지 못하고 있다는 결과가 나왔다.

 

그러나 WASP-12b는 높은 온도로 인해 빛을 복사하고 있었고 이는 뜨겁게 불타오르는 금속과 유사한 붉은색을 띠고 있었다.

 

벨은 이러한 결과를 근거로 처음으로 분광학적 알베도가 측정된 두 개 외계행성이 중요한 차이를 보여주고 있다는 사실은 이와 같은 유형의 스펙트럼 관측의 중요성과 뜨거운 목성형 행성들이 가지는 다양함을 강조하고 있는 것이라고 말했다. 

 

 

각주

[1] 연구팀은 가시광선대역에서  WASP-12b의 기하학적 알베도를 측정하였다. 

이 측정방식은 광원을 향해 되튀어나온 빛을 측정하는 것으로서 1 이상의 값도 도출될 수 있다.

이것은 본드알베도(the Bond albedo)와는 반대의 개념이다. 

본드알베도는 모든 파장에 걸쳐 반사되는 에너지의 총량을 기술하는 것으로 그 값은 0과 1 사이에 형성된다.

 

[2] 지구의 가시기하학적알베도는 0.37이다. 

태양을 제외하고 태양계에서 가장 높은 알베도를 가진 천체는 토성의 꽁꽁얼어붙은 달인 엔켈라두스로서 알베도는 1.4이다.

 

[3] 예전에 제안되 모델 중 하나는 레일리 산란을 수반하는 구름이 없는 대기와는 다른 미산란(Mie scattering)을 수반하는 알루미늄산화물 대기 모델이었다. 

 

출처 : 유럽우주국(ESA) 허블 2017년 9월 14일 발표 뉴스

       http://www.spacetelescope.org/news/heic1714/

 

참고 : WASP-12b를 비롯한 다양한 외계행성 및 원시행성원반에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346973

 

원문>

heic1714 — Science Release

Hubble observes pitch black planet

14 September 2017

Astronomers have discovered that the well-studied exoplanet WASP-12b reflects almost no light, making it appear essentially pitch black. This discovery sheds new light on the atmospheric composition of the planet and also refutes previous hypotheses about WASP-12b’s atmosphere. The results are also in stark contrast to observations of another similarly sized exoplanet.

Using the Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) on the NASA/ESA Hubble Space Telescope, an international team led by astronomers at McGill University, Canada, and the University of Exeter, UK, have measured how much light the exoplanet WASP-12b reflects — its albedo — in order to learn more about the composition of its atmosphere [1].

The results were surprising, explains lead author Taylor Bell, a Master’s student in astronomy at McGill University who is affiliated with the Institute for Research on Exoplanets: “The measured albedo of WASP-12b is 0.064 at most. This is an extremely low value, making the planet darker than fresh asphalt!” This makes WASP-12b two times less reflective than our Moon which has an albedo of 0.12 [2]. Bell adds: “The low albedo shows we still have a lot to learn about WASP-12b and other similar exoplanets.”

WASP-12b orbits the Sun-like star WASP-12A, about 1400 light-years away, and since its discovery in 2008 it has become one of the best studied exoplanets (opo1354, opo1015, opo1436, heic1524). With a radius almost twice that of Jupiter and a year of just over one Earth day, WASP-12b is categorised as a hot Jupiter. Because it is so close to its parent star, the gravitational pull of the star has stretched WASP-12b into an egg shape and raised the surface temperature of its daylight side to 2600 degrees Celsius.

The high temperature is also the most likely explanation for WASP-12b’s low albedo. “There are other hot Jupiters that have been found to be remarkably black, but they are much cooler than WASP-12b. For those planets, it is suggested that things like clouds and alkali metals are the reason for the absorption of light, but those don’t work for WASP-12b because it is so incredibly hot," explains Bell.

The daylight side of WASP-12b is so hot that clouds cannot form and alkali metals are ionised. It is even hot enough to break up hydrogen molecules into atomic hydrogen which causes the atmosphere to act more like the atmosphere of a low-mass star than like a planetary atmosphere. This leads to the low albedo of the exoplanet.

To measure the albedo of WASP-12b the scientists observed the exoplanet in October 2016 during an eclipse, when the planet was near full phase and passed behind its host star for a time. This is the best method to determine the albedo of an exoplanet, as it involves directly measuring the amount of light being reflected. However, this technique requires a precision ten times greater than traditional transit observations. Using Hubble’s Space Telescope Imaging Spectrograph the scientists were able to measure the albedo of WASP-12b at several different wavelengths.

“After we measured the albedo we compared it to spectral models of previously suggested atmospheric models of WASP-12b”, explains Nikolay Nikolov (University of Exeter, UK), co-author of the study. “We found that the data match neither of the two currently proposed models.” [3]. The new data indicate that the WASP-12b atmosphere is composed of atomic hydrogen and helium.

WASP-12b is only the second planet to have spectrally resolved albedo measurements, the first being HD 189733b, another hot Jupiter. The data gathered by Bell and his team allowed them to determine whether the planet reflects more light towards the blue or the red end of the spectrum. While the results for HD 189733b suggest that the exoplanet has a deep blue colour (heic1312), WASP-12b, on the other hand, is not reflecting light at any wavelength. WASP-12b does, however, emit light because of its high temperature, giving it a red hue similar to a hot glowing metal.

“The fact that the first two exoplanets with measured spectral albedo exhibit significant differences demonstrates the importance of these types of spectral observations and highlights the great diversity among hot Jupiters,” concludes Bell.

Notes

[1] The team measured the optical geometric albedo of WASP-12b, which measures the light that is scattered back towards the source of light, and can have values above 1. This is in contrast to the Bond albedo, which describes the total amount of energy reflected across all wavelengths and always falls in the range of 0 to 1.

[2] Earth has an average optical geometric albedo of about 0.37. Enceladus, an icy moon of Saturn, has an albedo of 1.4, the highest known albedo of any celestial body in the Solar System.

[3] one proposed model was an aluminum-oxide atmosphere with Mie scattering while the other was a cloud-free atmosphere with Rayleigh scattering.

More information

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

The international team of astronomers in this study consists of T. J. Bell (McGill University, Canada), N. Nikolov (University of Exeter, UK), N. B. Cowan (McGill University, Canada), J. K. Barstow (University College London, UK), T. S. Barman (University of Arizona, USA), I. J. M. Crossfield (University of California Santa Cruz, USA; Sagan Fellow), N. P. Gibson (Queen’s University Belfast, UK), T. M. Evans (University of Exeter, UK), D. K. Sing (University of Exeter, UK), H. A. Knuston (California Institute of Technology, USA), T. Kataria (Jet Propulsion Laboratory, USA), J. D. Lothringer (University of Arizona, USA), B. Benneke (Université de Montréal, Canada), and J. C. Schwartz (McGill University, USA).

Image credit: NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)

Links

• Images of Hubble
• Hubblesite release
• Science paper

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Taylor Bell
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Montreal, Canada
Email: taylor.bell@mail.mcgill.ca

Nikolay Nikolov
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Exeter, UK
Tel: +44 1392 726607 6607
Email: N.K.Nikolov@exeter.ac.uk

Lauren Fuge
ESA/Hubble, Public Information Officer
Garching bei München, Germany
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