WASP-76b : 강철비가 내리는 외계행성

 

Credit:ESO/M. Kornmesser

 

그림 1> 이 그림은 외계행성 WASP-76b의 야간반구에서 바라본 하늘의 풍경을 그린 상상화이다. 

극단적인 열기를 품고 있는 이 외계행성의 주간 반구 온도는 섭씨 2,400도를 상회하고 있다. 

이 온도는 금속을 기화시키기에 충분한 온도이다. 

강력한 폭풍이 이 철 기체를 기온이 훨씬 낮은 야간반구로 밀어붙이고 있다. 

그 결과 야간반구에서 응축된 철은 빗방울이 되어 내리게 된다. 

 

천문학자들이 ESO 초거대망원경(Very Large Telescope, VLT)을 이용하여 강철비가 내리는 것으로 추정되는 극단적인 환경의 행성을 관측하였다. 

어마어마한 열기를 품고 있는 이 거대행성의 주간반구 온도는 섭시 2,400도 이상에 육박한다. 

이는 금속을 기화시키기에 충분한 온도이다. 

이렇게 기화된 철은 강력한 바람에 밀려 온도가 낮은 야간 반구로 이동한다. 그리고 이곳에서 응축되어 철의 빗방물이 만들어진다. 

 

이번 연구를 이끈 스위스 제네바대학 다비드 에렌라이히( David Ehrenreich)는 "누군가는 이 행성이 저녁마다 비가 내리는 낭만적인 행성이라고 말할 수 있을 것입니다. 그 비가 강철비라는 것만 빼면 말이죠."라고 말했다. 

 

이 특이한 외계행성에 대한 연구논문은 2020년 3월 11일 네이처에 개재되었다. 

WASP-76b라는 이름의 이 외계행성은 물고기자리 방향으로 640광년 거리에 위치하고 있다. 

이 외계행성의 독특한 현상은 자신의 별을 바라보고 있는 이른바 주간반구가 고정되어 있기 때문이다. 

즉 낮은 영원히 낮이고 밤은 영원히 밤인 것이다. 

마치 지구 주위를 돌고 있는 달처럼 WASP-76b는 자신의 별에 중력으로 잠겨 있는 상태이다. 

즉 이 행성의 자전 주기는 자신의 별 주위를 도는 공전 주기와 동일하다. 

 

이 행성의 주간반구는 지구가 태양으로부터 받는 복사보다 수천 배에 달하는 복사를 자신의 별로부터 받고 있다. 

이로 인해 분자에서 각각의 원자가 분리될 수 있을만큼 기온이 상승하고 철과 같은 금속마저도 대기 속으로 증발해 버리는 것이다. 

이 행성의 주간반구와 야간반구는 극단적인 온도차이를 보이고 있으며 그 결과 형성된 격렬한 폭풍이 증발된 철을 자외선이 가득한 주간반구에서 이보다 훨씬 온도가 낮은 약 1,500도의 야간반구로 밀어내게 된다. 

 

이번 연구에 따르면 WASP-76b의 주간반구와 야간반구는 기온에 있어서만 극단적인 차이를 보이는 것은 아니다. 

각 반구는 화학적 조성에 있어서도 극단적인 차이를 보이고 있다. 

천문학자들은 ESO의 VLT에 장착된 새로운 장비인 '암석질외계행성과 안정된 분광관측을 위한 등급별 분광기(the Echelle SPectrograph for Rocky Exoplanets and Stable Spectroscopic Observations, 이하 ESPRESSO)를 이용하여 이 거대 가스행성의 화학적 변이를 처음으로 분석해냈다. 

ESPRESSO에는 저녁쪽 주야경계선에서 기화된 철의 존재를 말해주는 강력한 신호를 포착해냈다. 

하지만 아침쪽 주야경계선에서는 기화철의 흔적이 일체 보이지 않았다고 한다. 

에렌라이히는 그 이유를 '기화된 철이 야간 반구에서 비처럼 모두 쏟아져 내렸기 때문'이라고 말했다. 

 

스페인 천체생물학센터의 천체물리학자이자 ESPRESSO 과학팀의 의장인 마리아 로사 자파테로 오소리오(Maria Rosa Zapatero Osorio)의 설명은 다음과 같다.

"이번 관측은 WASP-76b의 주간반구 대기 상에 철기체가 가득하다가는 것을 보여주었습니다. 

 이 철 기체 중 일부가 행성의 자전과 대기의 흐름 때문에 야간반구로 스며들어가죠. 

 이곳에서 철 기체는 훨씬 차가운 환경을 만나 응축되고 비처럼 내리게 되는 것입니다."

 

이번에 네이처에 개재가 수락된 논문은 ESSPRESSO의 첫번재 과학 관측으로부터 도출된 논문이다. 

ESSPRESSO는 2018년 9월 결성된 컨소시엄에 의해 제작된 것으로 여기에는 ESO와 함께 포르투갈과 이탈리아, 스위스, 스페인의 연구팀이 참여하였다. 

ESPRESSO는 원래 태양과 같은 별 주위를 도는 지구형 행성을 찾기 위해 설계된 장비이다. 

하지만 이번 관측 결과는 이 장비가 다목적으로 활용될 수 있음을 입증해 주었다. 

ESPRESSO 장비 과학자인 칠레의 페드로 피구에이라(Pedro Figueira)는 VLT의 관측 능력과 ESPRESSO의 안정된 분광측정 능력을 통해 이 장비가 곧 외계행성 대기 연구에 있어 선도적인 관측 장비가 될 것임을 직감했다고 말했다. 

에렌라이히는 우리가 지금 해야 할 일은 가장 극단적인 환경을 가진 외계행성의 기후를 완전히 새로운 방법으로 추적하는 것이라고 말했다. 

 

 

Credit:Frederik Peeters (https://frederikpeeters.tumblr.com/)

 

그림 2> 스위스의 그래픽 작가인 프레데릭 피터스(Frederik Peeters)가 그린 외계행성 WASP-76b의 주야 경계선 모습. 

WASP-76b과 같은 극단적인 열기로 들끓고 있는 주간반구와 이보다 훨씬 차가운 야간 반구를 가진 외계행성에 대한 이론적 연구는 삽화와 같이 주야경계선의 야간쪽 경계에 연속적으로 형성된 거대한 응축 구름이 있을 것으로 예견하고 있다. 

 

출처 : 유럽남부천문대(European Southern Observatory) Science Release  2020년 3월 11일자 

       https://www.eso.org/public/usa/news/eso2005/     

         

참고 : WASP-76b를 비롯한 외계행성 및 외계행성계에 대한 각종 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다. 
         https://big-crunch.tistory.com/12346973

 

 

원문>

eso2005 — Science Release

ESO Telescope Observes Exoplanet Where It Rains Iron

11 March 2020

 

Researchers using ESO’s Very Large Telescope (VLT) have observed an extreme planet where they suspect it rains iron. The ultra-hot giant exoplanet has a day side where temperatures climb above 2400 degrees Celsius, high enough to vaporise metals. Strong winds carry iron vapour to the cooler night side where it condenses into iron droplets.

“One could say that this planet gets rainy in the evening, except it rains iron,” says David Ehrenreich, a professor at the University of Geneva in Switzerland. He led a study, published today in the journal Nature, of this exotic exoplanet. Known as WASP-76b, it is located some 640 light-years away in the constellation of Pisces.

This strange phenomenon happens because the 'iron rain' planet only ever shows one face, its day side, to its parent star, its cooler night side remaining in perpetual darkness. Like the Moon on its orbit around the Earth, WASP-76b is ‘tidally locked’: it takes as long to rotate around its axis as it does to go around the star.

On its day side, it receives thousands of times more radiation from its parent star than the Earth does from the Sun. It’s so hot that molecules separate into atoms, and metals like iron evaporate into the atmosphere. The extreme temperature difference between the day and night sides results in vigorous winds that bring the iron vapour from the ultra-hot day side to the cooler night side, where temperatures decrease to around 1500 degrees Celsius.

Not only does WASP-76b have different day-night temperatures, it also has distinct day-night chemistry, according to the new study. Using the new ESPRESSO instrument on ESO’s VLT in the Chilean Atacama Desert, the astronomers identified for the first time chemical variations on an ultra-hot gas giant planet. They detected a strong signature of iron vapour at the evening border that separates the planet’s day side from its night side. “Surprisingly, however, we do not see the iron vapour in the morning,” says Ehrenreich. The reason, he says, is that “it is raining iron on the night side of this extreme exoplanet.”

“The observations show that iron vapour is abundant in the atmosphere of the hot day side of WASP-76b," adds María Rosa Zapatero Osorio, an astrophysicist at the Centre for Astrobiology in Madrid, Spain, and the chair of the ESPRESSO science team. "A fraction of this iron is injected into the night side owing to the planet's rotation and atmospheric winds. There, the iron encounters much cooler environments, condenses and rains down."

This result was obtained from the very first science observations done with ESPRESSO, in September 2018, by the scientific consortium who built the instrument: a team from Portugal, Italy, Switzerland, Spain and ESO.

ESPRESSO — the Echelle SPectrograph for Rocky Exoplanets and Stable Spectroscopic Observations — was originally designed to hunt for Earth-like planets around Sun-like stars. However, it has proven to be much more versatile. “We soon realised that the remarkable collecting power of the VLT and the extreme stability of ESPRESSO made it a prime machine to study exoplanet atmospheres,” says Pedro Figueira, ESPRESSO instrument scientist at ESO in Chile.

“What we have now is a whole new way to trace the climate of the most extreme exoplanets,” concludes Ehrenreich.

Notes

• A previous version of this press release mistakenly indicated the distance to WASP-76b as being 390 light-years, based on a 2016 study. More recent data indicates that the exoplanet is 640 light-years away.

More information

This research was presented in a paper to appear in Nature.

The team is composed of David Ehrenreich (Observatoire astronomique de l’Université de Genève, Geneva, Switzerland [UNIGE]), Christophe Lovis (UNIGE), Romain Allart (UNIGE), María Rosa Zapatero Osorio (Centro de Astrobiología, Madrid, Spain [CSIC-INTA]), Francesco Pepe (UNIGE), Stefano Cristiani (INAF Osservatorio Astronomico di Trieste, Italy [INAF Trieste]), Rafael Rebolo (Instituto de Astrofísica de Canarias, Tenerife, Spain [IAC]), Nuno C. Santos (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade do Porto, Portugal [IA/UPorto] & Departamento de Física e Astronomia, Faculdade de Ciências, Universidade do Porto, Portugal [FCUP]), Francesco Borsa (INAF Osservatorio Astronomico di Brera, Merate, Italy [INAF Brera]), Olivier Demangeon (IA/UPorto), Xavier Dumusque (UNIGE), Jonay I. González Hernández (IAC), Núria Casasayas-Barris (IAC), Damien Ségransan (UNIGE), Sérgio Sousa (IA/UPorto), Manuel Abreu (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade de Lisboa, Portugal [IA/FCUL] & Departamento de Física da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, Portugal [FCUL], Vardan Adibekyan [IA/UPorto], Michael Affolter (Physikalisches Institut & Center for Space and Habitability, Universität Bern, Switzerland [Bern]), Carlos Allende Prieto (IAC), Yann Alibert (Bern), Matteo Aliverti (INAF Brera), David Alves (IA/FCUL & FCUL), Manuel Amate (IA/UPorto), Gerardo Avila (European Southern Observatory, Garching bei München, Germany [ESO]), Veronica Baldini (INAF Trieste), Timothy Bandy (Bern), Willy Benz (Bern), Andrea Bianco (INAF Brera), Émeline Bolmont (UNIGE), François Bouchy (UNIGE), Vincent Bourrier (UNIGE), Christopher Broeg (Bern), Alexandre Cabral (IA/FCUL & FCUL), Giorgio Calderone (INAF Trieste), Enric Pallé (IAC), H. M. Cegla (UNIGE), Roberto Cirami (INAF Trieste), João M. P. Coelho (IA/FCUL & FCUL), Paolo Conconi (INAF Brera), Igor Coretti (INAF Trieste), Claudio Cumani (ESO), Guido Cupani (INAF Trieste), Hans Dekker (ESO), Bernard Delabre (ESO), Sebastian Deiries (ESO), Valentina D’Odorico (INAF Trieste & Scuola Normale Superiore, Pisa, Italy), Paolo Di Marcantonio (INAF Trieste), Pedro Figueira (European Southern Observatory, Santiago de Chile, Chile [ESO Chile] & IA/UPorto), Ana Fragoso (IAC), Ludovic Genolet (UNIGE), Matteo Genoni (INAF Brera), Ricardo Génova Santos (IAC), Nathan Hara (UNIGE), Ian Hughes (UNIGE), Olaf Iwert (ESO), Florian Kerber (ESO), Jens Knudstrup (ESO), Marco Landoni (INAF Brera), Baptiste Lavie (UNIGE), Jean-Louis Lizon (ESO), Monika Lendl (UNIGE & Space Research Institute, Austrian Academy of Sciences, Graz, Austria), Gaspare Lo Curto (ESO Chile), Charles Maire (UNIGE), Antonio Manescau (ESO), C. J. A. P. Martins (IA/UPorto & Centro de Astrofísica da Universidade do Porto, Portugal), Denis Mégevand (UNIGE), Andrea Mehner (ESO Chile), Giusi Micela (INAF Osservatorio Astronomico di Palermo, Italy), Andrea Modigliani (ESO), Paolo Molaro (INAF Trieste & Institute for Fundamental Physics of the Universe, Trieste, Italy), Manuel Monteiro (IA/UPorto), Mario Monteiro (IA/UPorto & FCUP), Manuele Moschetti (INAF Brera), Eric Müller (ESO), Nelson Nunes (IA), Luca Oggioni (INAF Brera), António Oliveira (IA/FCUL & FCUL), Giorgio Pariani (INAF Brera), Luca Pasquini (ESO), Ennio Poretti (INAF Brera & Fundación Galileo Galilei, INAF, Breña Baja, Spain), José Luis Rasilla (IAC), Edoardo Redaelli (INAF Brera), Marco Riva (INAF Brera), Samuel Santana Tschudi (ESO Chile), Paolo Santin (INAF Trieste), Pedro Santos (IA/FCUL & FCUL), Alex Segovia Milla (UNIGE), Julia V. Seidel (UNIGE), Danuta Sosnowska (UNIGE), Alessandro Sozzetti (INAF Osservatorio Astrofisico di Torino, Pino Torinese, Italy), Paolo Spanò (INAF Brera), Alejandro Suárez Mascareño (IAC), Hugo Tabernero (CSIC-INTA & IA/UPorto), Fabio Tenegi (IAC), Stéphane Udry (UNIGE), Alessio Zanutta (INAF Brera), Filippo Zerbi (INAF Brera).

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/FCULas 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 ESPRESSO
• Photos of the VLT
• More about ESPRESSO and how it finds exoplanets

Contacts

David Ehrenreich
Associate Professor at the University of Geneva
Geneva, Switzerland
Tel: +41 22 379 23 90
Email: david.ehrenreich@unige.ch

Francesco Pepe
Professor at the University of Geneva and Principal Investigator of the ESPRESSO consortium
Geneva, Switzerland
Tel: +41 22 379 23 96
Email: francesco.pepe@unige.ch

María Rosa Zapatero Osorio
Chair of the ESPRESSO science team at Centro de Astrobiología (CSIC-INTA)
Madrid, Spain
Tel: +34 9 15 20 64 27
Email: mosorio@cab.inta-csic.es

Pedro Figueira
Astronomer at ESO and Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, instrument scientist of ESPRESSO
Santiago, Chile
Tel: +56 2 2463 3074
Email: pedro.figueira@eso.org

Nuno C. Santos
Co-principal investigator of the ESPRESSO consortium at Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade do Porto and Departamento de Física e Astronomia Faculdade de Ciências, Universidade do Porto
Porto, Portugal
Tel: +351 226 089 893
Email: nuno.santos@astro.up.pt

Stefano Cristiani
Co-principal investigator of the ESPRESSO consortium at INAF Astronomical Observatory of Trieste
Trieste, Italy
Tel: +39 040 3199220
Email: stefano.cristiani@inaf.it

Bárbara Ferreira
ESO Public Information Officer
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