HR8799e : 가시광선 간섭법으로 외계행성을 휘감고 있는 거대한 폭풍대기를 밝혀내다.

그림 1>  Credit:ESO/L. Calcada

 

 

ESO 초거대망원경 간섭계(Very Large Telescope Interferometer, 이하 VLTI)에 장착되어 있는 GRAVITY 장비를 활용하여 가시광선 간섭법을 이용한 외계행성의 직접적인 관측이 처음으로 수행되었다.

이번 관측을 통해 행성크기의 철과 규산염 폭풍구름이 몰아치고 있는 복잡한 외계행성의 대기를 관측할 수 있었다.

이 기술은 오늘날까지 알려진 수많은 외계행성들의 특징을 밝혀줄 가능성을 보여주고 있다.

 

이번 연구결과는 가시광선 간섭법을 활용하여 외계행성 HR8799e에 대한 관측을 진행한 GRAVITY협력기구[1]에 의해 2019년 3월 27일 천문학 및 천체물리학 저널에 개재되었다.

갓태어난 주계열별인 HR8799에서 그 주위를 도는 행성이 발견된 것은 2010년이다. 

HR8799는 페가수스자리 방향으로 지구로부터 129광년 떨어져 있다.

 

이번에 외계행성 HR8799e의 성격을 규명해내는데는 대단히 높은 해상도와 감도를 갖춘 장비가 필요했다.

 

GRAVITY는 ESO 초거대망원경 중 4번 망원경과 협력하여 간섭법이라는 기술을 사용하는 하나의 거대한 망원경처럼 활용되고 있다.[2] 

이를 통해 구현해낸 거대한 망원경인 VLTI는 외계행성 HR8799e의 대기로부터 복사되는 빛과 이 행성의 별로부터 복사되는 빛을 정교하게 구분, 수집할 수 있었다[3].

 

HR8799e는 '슈퍼 목성형' 행성이다. 

이러한 유형의 행성은 우리 태양계에는 존재하지 않으며 우리 태양계에 있는 어떤 행성들보다도 훨씬 무겁고 훨씬 적은 나이를 가지고 있다.

고작 3천만년의 나이를 가진 이 행성은 과학자들이 행성 및 행성계의 형성에 대한 정보를 얻을 수 있을만큼 탄생한지 얼마 안되는 상태이다.

이 행성의 형성으로부터 남겨진 에너지와 강력한 온실효과는 이 행성의 대기를 섭시 1000도까지 들끓게 만들고 있다.

 

가시광성 간섭법으로 이러한 행성의 세부를 밝혀내기는 이번이 처음이다. 

또한 이번 기술을 통해 유례없는 양질의 세밀한 분광 데이터를 얻을 수 있었는데 이는 기존 방법을 통해 획득한 관측 데이터보다 10배 이상 정교한 수준이다.

 

연구팀의 분석을 통해 외계행성 HR8799e의 대기조성을 밝혀낼 수 있었는데 여기에는 놀라운 정보들이 포함되어 있었다.

 

프랑스국립과학연구센터(CNRS) 및 막스플랑크외계물리학연구소의 연구원이자 이번 연구팀의 책임자인 실베스트레 라쿠르(Sylvestre Lacour)의 설명은 다음과 같다.

"우리의 분석 자료는 HR8799e의 대기에 메탄보다는 일산화탄소가 훨씬더 많이 존재한다는 점을 보여주고 있습니다. 

평형화학의 관점에서는 예상할 수 없는 결과였죠. 

우리는 이러한 현상을 이 행성의 대기에 대단히 고도가 높은 수직 폭풍이 존재하며 이 폭풍에 의해 일산화탄소가 수소와 반응하지 못하고 그 결과 메탄을 만들어내지 못하고 있으리라고 추정하고 있습니다."

 

연구팀은 또한 이 행성의 대기에서 철과 규산염 먼지로 이루어진 구름이 존재한다는 점을 발견했다.

일산화탄소가 예상보다 많이 존재한다는 점과 함께 생각해 보면 이러한 현상은 HR8799e의 대기가 거대하고 파괴적인 폭풍에 시달리고 있다고 추정할 수 있다.

 

라쿠르의 설명은 다음과 같다.

"우리의 관측 데이터에 따르면 내부에서 빛을 받고 있는 가스덩어리들은 고온의 빛줄기들과 함께 어두운 구름으로 나타나는 폭풍을 휘감고 있습니다. 

대기의 대류는 규산염과 철입자로 된 구름을 휘감아 흐르며 비가 되어 내리는 이 성분들을 행성 전역에 뿌리고 있죠. 

탄생기에 있는 거대 행성의 역동적인 대기는 이러한 양상으로 복잡한 물리적, 화학적 과정이 지속되고 있습니다."

 

이번 결과는 은하 중심에 자리잡은 초거대질량 블랙홀의 사건의 지평선 밖에서 광속의 30%에 달하는 속도로 소용돌이치는 가스를 관측해낸 지난 해의 성과와 함께 GRAVITY를 통해 이뤄낸 인상적인 발견 중 하나가 되었다.

또한 이번 결과는 ESO의 망원경들과 관측 장비들이 이미 채택하고 있는 광범위한 외계행성 탐색 방법에 새로운 방법 하나가 추가되었다는 의미도 있다. 

이 모든 방법들은 새로운 탐사를 이끄는 여정을 개척하고 있다.[4]

 

 

Credit:ESO, IAU and Sky & Telescope

 

사진 1> 이 별지도에는 페가수스 자리가 담겨 있다.

HR8799의 위치가 표시되어 있는 이 별지도에서 대부분의 별들은 청명하고 어두운 밤하늘이라면 맨눈으로도 볼 수 있는 별들이다.

페가수스 자리는 밤하늘에서 여러 천체들의 위치를 찾아갈 때 쓰이는 그 유명한 페가수스 대사각형을 구성하는 네 개의 밝은 별 중 세 개를 품고 있는 별자리이다.

아인슈타인의 십자가를 만들어내는 중력렌즈 퀘이사를 비롯하여 이 별자리에는 천문학자들의 흥미를 잡아끄는 여러 개의 천체가 담겨있다.

 

 

Credit:ESO/Digitized Sky Survey 2. Acknowledgement: Davide de Martin.

 

사진 2> 이 광대역 사진은 페가수스자리의 어린 별 HR8799와 그 주변을 보여주고 있다.

이 사진은 DSS2의 일환으로 제작된 사진이다.

 

 

Credit:ESO

 

사진 3> 이 사진은 4개의 8.2미터 망원경과 VLT 간섭계를 구성하고 있는 다양한 장비들이 위치한 파라날 산 정상의 관측 플랫폼을 담은 사진이다.

3개의 1.8미터 VLTI 보조 망원경들과 빛이 통하는 경로가 사진에 겹쳐져 있다.

또한 사진에는 관측을 위해 보조망원경들이 위치할 수 있는 지점 30개가 함께 보인다. 

이 지점에서 그리고 각망원경들로부터 유입된 빛은 그 아래 자리잡은 간섭계 터널로 유입된다.

직선형 구조물들은 각 망원경들이 한 지점에서 또다른 지점으로 쉽게 이동할 수 있도록 설치한 레일을 지지해 주고 있다.

일부분이 지하로 내려가 있는 간섭계연구소가 중앙에 보인다.

 

 

Credit:ESO

 

사진 4> 이 도표는 VLT 간섭계의 개념도이다.

2개의 VLT 망원경으로 유입된 빛은 여러 거울들에 반사되면서 간섭계 터널로 유입된다.

이동성 선반에 얹어진 두 개의 지연선은 지속적으로 빛이 들어오는 경로의 길이를 보정하게 되고 그 결과 두 개의 빛줄기는 상호보완을 통해 연구소의 간섭계 초점에 줄무늬를 만들게 된다. 

 

각주

[1] GRAVITY의 개발에 참여한 기관은 하기와 같다. 

막스플랑크외계물리학연구소, 프랑스 파리 PSL대학 및 파리천문대의 우주과학 및 천체물리연구소(LESIA)/ CNRS/소르본 대학, Paris Diderot and IPAG of Universite Grenoble Alpes / CNRS (France), 막스플랑크 천문연구소, 독일 콜로네 대학, 포르투갈 천체물리 및 중력 센터, 유럽남부천문대(ESO) 

    

[2] 간섭법은 여러 개의 작은 망원경을 한의 거대한 망원경처럼 활용하는 기술이다.

ESO VLTI는 ESO의 초거대망원경 2개 이상 또는 이보다는 규모가 작은 4개의 보조망원경 모두를 활용하는 간섭계망원경이다. 

초거대망원경을 구성하는 각각의 망원경은 8.2미터 구경의 구경을 갖추고 있다. 

이들을 연계함으로써 개별 망원경 하나를 이용한 관측보다 25배나 더 높은 해상력을 구현해낼 수 있다.

 

[3] 외계행성은 여러가지 방법으로 관측할 수 있다.

ESO의 외계행성탐사 장비인 HARPS는 천체의 시선속도를 관측하는 간접적인 방법으로 해성을 탐지한다. 

이 방법은 행성이 자신의 별에 끼치는 중력을 측정하는 방법이다.   

이번 연구결과를 이끈 것과 같은 기술은 직접적인 탐사 기법이다. 

이러한 방법은 행성이 자신의 별에 미치는 영향은 고려하지 않고 행성 자체를 직접 관측한다.

 

[4] 작년 지구에서 가장 가까운 별인 바나드의 별 주위를 공전하고 있는 슈퍼-지구 형 외계행성의 발견과

또다른 기발한 방법을 이용하여 갓 태어난 어린 별 주위를 공전하고 있는 행성들을 발견한 ALMA의 관측 결과 등 ESO의 망원경을 이용한 외계행성의 발견은 계속 이어지고 있다.

 

 

출처 : 유럽남부천문대(European Southern Observatory) Science Release  2019년 3월 27일자 

        https://www.eso.org/public/news/eso1905/

         

참고 : HR8799e를 비롯한 외계행성 및 외계행성계에 대한 각종 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다. 
        https://big-crunch.tistory.com/12346973

 

원문>

eso1905 — Science Release

GRAVITY instrument breaks new ground in exoplanet imaging

Cutting-edge VLTI instrument reveals details of a storm-wracked exoplanet using optical interferometry

27 March 2019

 

The GRAVITY instrument on ESO’s Very Large Telescope Interferometer (VLTI) has made the first direct observation of an exoplanet using optical interferometry. This method revealed a complex exoplanetary atmosphere with clouds of iron and silicates swirling in a planet-wide storm. The technique presents unique possibilities for characterising many of the exoplanets known today.

This result was announced today in a letter in the journal Astronomy and Astrophysics by the GRAVITY Collaboration [1], in which they present observations of the exoplanet HR8799e using optical interferometry. The exoplanet was discovered in 2010 orbiting the young main-sequence star HR8799, which lies around 129 light-years from Earth in the constellation of Pegasus.

Today’s result, which reveals new characteristics of HR8799e, required an instrument with very high resolution and sensitivity. GRAVITY can use ESO’s VLT’s four unit telescopes to work together to mimic a single larger telescope using a technique known as interferometry [2]. This creates a super-telescope — the VLTI  — that collects and precisely disentangles the light from HR8799e’s atmosphere and the light from its parent star [3].

HR8799e is a ‘super-Jupiter’, a world unlike any found in our Solar System, that is both more massive and much younger than any planet orbiting the Sun. At only 30 million years old, this baby exoplanet is young enough to give scientists a window onto the formation of planets and planetary systems. The exoplanet is thoroughly inhospitable — leftover energy from its formation and a powerful greenhouse effect heat HR8799e to a hostile temperature of roughly 1000 °C.

This is the first time that optical interferometry has been used to reveal details of an exoplanet, and the new technique furnished an exquisitely detailed spectrum of unprecedented quality — ten times more detailed than earlier observations. The team’s measurements were able to reveal the composition of HR8799e’s atmosphere  — which contained some surprises.

“Our analysis showed that HR8799e has an atmosphere containing far more carbon monoxide than methane — something not expected from equilibrium chemistry,” explains team leader Sylvestre Lacour researcher CNRS at the Observatoire de Paris - PSL and the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics. “We can best explain this surprising result with high vertical winds within the atmosphere preventing the carbon monoxide from reacting with hydrogen to form methane.”

The team found that the atmosphere also contains clouds of iron and silicate dust. When combined with the excess of carbon monoxide, this suggests that HR8799e’s atmosphere is engaged in an enormous and violent storm.

“Our observations suggest a ball of gas illuminated from the interior, with rays of warm light swirling through stormy patches of dark clouds,” elaborates Lacour. “Convection moves around the clouds of silicate and iron particles, which disaggregate and rain down into the interior. This paints a picture of a dynamic atmosphere of a giant exoplanet at birth, undergoing complex physical and chemical processes.”

This result builds on GRAVITY’s string of impressive discoveries, which have included breakthroughs such as last year’s observation of gas swirling at 30% of the speed of light just outside the event horizon of the massive Black Hole in the Galactic Centre. It also adds a new way of observing exoplanets to the already extensive arsenal of methods available to ESO’s telescopes and instruments — paving the way to many more impressive discoveries [4].

Notes

[1] GRAVITY was developed by a collaboration consisting of the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (Germany), LESIA of Paris Observatory–PSL / CNRS / Sorbonne Université / Univ. Paris Diderot and IPAG of Université Grenoble Alpes / CNRS (France), the Max Planck Institute for Astronomy (Germany), the University of Cologne (Germany), the CENTRA–Centro de Astrofisica e Gravitação (Portugal) and ESO.

[2] Interferometry is a technique that allows astronomers to create a super-telescope by combining several smaller telescopes. ESO’s VLTI is an interferometric telescope created by combining two or more of the Unit Telescopes (UTs) of the Very Large Telescope or all four of the smaller Auxiliary Telescopes. While each UT has an impressive 8.2-m primary mirror, combining them creates a telescope with 25 times more resolving power than a single UT observing in isolation.

[3] Exoplanets can be observed using many different methods. Some are indirect, such as the radial velocity method used by ESO’s exoplanet-hunting HARPS instrument, which measures the pull a planet’s gravity has on its parent star. Direct methods, like the technique pioneered for this result, involve observing the planet itself instead of its effect on its parent star.

[4] Recent exoplanet discoveries made using ESO telescopes include last year’s successful detection of a super-Earth orbiting Barnard’s Star, the closest single star to our Sun, and ALMA’s discovery of young planets orbiting an infant star, which used another novel technique for planet detection.

More information

This research was presented in the paper “First direct detection of an exoplanet by optical interferometry” in Astronomy and Astrophysics.

The team was composed of :  S. Lacour (LESIA, Observatoire de Paris - PSL, CNRS, Sorbonne Universités, UPMC Univ. Paris 06, Univ. Paris Diderot, Meudon, France [LESIA]; Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Germany [MPE]), M. Nowak (LESIA), J. Wang (Department of Astronomy, California Institute of Technology, Pasadena, USA), O. Pfuhl (MPE), F. Eisenhauer (MPE), R. Abuter (ESO, Garching, Germany), A. Amorim (Universidade de Lisboa, Lisbon, Portugal; CENTRA - Centro de Astrofísica e Gravitação, IST, Universidade de Lisboa, Lisbon, Portugal), N. Anugu (Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto, Porto, Portugal; School of Physics, Astrophysics Group, University of Exeter, Exeter, United Kingdom), M. Benisty (Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, France [IPAG]), J.P. Berger (IPAG), H. Beust (IPAG), N. Blind (Observatoire de Genève, Université de Genève, Versoix, Switzerland), M. Bonnefoy (IPAG), H. Bonnet (ESO, Garching, Germany), P. Bourget (ESO, Santiago, Chile), W. Brandner (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg, Germany [MPIA]), A. Buron (MPE), C. Collin (LESIA), B. Charnay (LESIA), F. Chapron (LESIA) , Y. Clénet (LESIA), V. Coudé du Foresto (LESIA), P.T. de Zeeuw (MPE; Sterrewacht Leiden, Leiden University, Leiden, The Netherlands), C. Deen (MPE), R. Dembet (LESIA), J. Dexter (MPE), G. Duvert (IPAG), A. Eckart (1st Institute of Physics, University of Cologne, Cologne, Germany;  Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Germany), N.M. Förster Schreiber (MPE), P. Fédou (LESIA), P. Garcia (Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto, Porto, Portugal; ESO, Santiago, Chile; CENTRA - Centro de Astrofísica e Gravitação, IST, Universidade de Lisboa, Lisbon, Portugal), R. Garcia Lopez (Dublin Institute for Advanced Studies, Dublin, Ireland; MPIA), F. Gao (MPE), E. Gendron (LESIA), R. Genzel (MPE; Departments of Physics and Astronomy, University of California, Berkeley, USA), S. Gillessen (MPE), P. Gordo (Universidade de Lisboa, Lisbon, Portugal; CENTRA - Centro de Astrofísica e Gravitação, IST, Universidade de Lisboa, Lisbon, Portugal), A. Greenbaum (Department of Astronomy, University of Michigan, Ann Arbor, USA), M. Habibi (MPE), X. Haubois (ESO, Santiago, Chile), F. Haußmann (MPE), Th. Henning (MPIA), S. Hippler (MPIA), M. Horrobin (1st Institute of Physics, University of Cologne, Cologne, Germany), Z. Hubert (LESIA), A. Jimenez Rosales (MPE), L. Jocou (IPAG), S. Kendrew (European Space Agency, Space Telescope Science Institute, Baltimore, USA; MPIA), P. Kervella (LESIA), J. Kolb (ESO, Santiago, Chile), A.-M. Lagrange (IPAG), V. Lapeyrère (LESIA), J.-B. Le Bouquin (IPAG), P. Léna (LESIA), M. Lippa (MPE), R. Lenzen (MPIA), A.-L. Maire (STAR Institute, Université de Liège, Liège, Belgium; MPIA), P. Mollière (Sterrewacht Leiden, Leiden University, Leiden, The Netherlands), T. Ott (MPE), T. Paumard (LESIA), K. Perraut (IPAG), G. Perrin (LESIA), L. Pueyo (Space Telescope Science Institute, Baltimore, USA), S. Rabien (MPE), A. Ramírez (ESO, Santiago, Chile), C. Rau (MPE), G. Rodríguez-Coira (LESIA), G. Rousset (LESIA), J. Sanchez-Bermudez (Instituto de Astronomía, Universidad Nacional Autónoma de México, Mexico City, Mexico; MPIA), S. Scheithauer (MPIA), N. Schuhler (ESO, Santiago, Chile), O. Straub (LESIA; MPE), C. Straubmeier (1st Institute of Physics, University of Cologne, Cologne, Germany), E. Sturm (MPE), L.J. Tacconi (MPE), F. Vincent (LESIA), E.F. van Dishoeck (MPE; Sterrewacht Leiden, Leiden University, Leiden, The Netherlands), S. von Fellenberg (MPE), I. Wank (1st Institute of Physics, University of Cologne, Cologne, Germany), I. Waisberg (MPE) , F. Widmann (MPE), E. Wieprecht (MPE), M. Wiest (1st Institute of Physics, University of Cologne, Cologne, Germany), E. Wiezorrek (MPE), J. Woillez (ESO, Garching, Germany), S. Yazici (MPE; 1st Institute of Physics, University of Cologne, Cologne, Germany), D. Ziegler (LESIA), and G. Zins (ESO, Santiago, Chile).

ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It has 16 Member States: Austria, Belgium, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Ireland, Italy, the Netherlands, Poland, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom, along with the host state of Chile and with Australia as a Strategic Partner. 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. Also at Paranal ESO will host and operate the Cherenkov Telescope Array South, the world’s largest and most sensitive gamma-ray observatory. 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 
• Photos of GRAVITY
• Photos of the VLT

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