행성의 노출된 핵, 최초로 관측
행성의 노출된 핵, 최초로 관측
  • 함예솔
  • 승인 2020.07.16 15:50
  • 조회수 1988
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퀸즈대학교의 한 학자는 멀리 떨어진 별 주위를 돌고 있는 거대 가스행성을 발견했습니다. 그런데 더 자세히 관찰해 보니, 무언가 이상한 점이 있습니다. 그가 관찰하고 있던 건 거대 가스 행성의 노출되어 있는 핵이었습니다. 발견된 거대 가스행성의 핵 크기는 우리 태양계에 있는 해왕성과 비슷하다고 합니다. 연구에 따르면 이 핵은 거대가스 행성의 대기가 벗겨졌거나 행성으로 발달하지 못해 생겨난 것으로 추정됩니다.

'해왕성 사막'의 해왕성 크기의 행성을 보여준다. 이 정도 크기와 밀도의 행성을 항성과 그렇게 가까운 곳에서 발견하는 건 극히 드문 일이다. 출처:  University of Warwick/Mark Garlick
이 정도 크기와 밀도의 행성을 항성과 그렇게 가까운 곳에서 발견하는 건 극히 드문 일이다. 출처: University of Warwick/Mark Garlick

어쩌다 발견한 행성의 '핵'

 

이번 연구는 <Nature>에 게재됐는데요. 퀸즈대학교 수학 및 물리학과 부교수이자 저질량 항성(low-mass stars)과 외계행성을 연구하는 Chris Watson 박사는 워릭대학교(University of Warwick)가 이끄는 국제 천문학자 팀과 함께 이 발견을 연구해왔습니다. 

 

Next Generation Transit Survey(NGTS) 망원경은 행성의 후속 관측을 위해 사용되는 기구 중 하나였는데요. 행성의 반지름을 측정을 현저하게 개선시켰습니다. 노출된 행성의 핵을 관측한 것은 이번이 최초인데요. 덕분에 과학자들은 행성의 내부를 들여다보고 그 구성에 대해 연구할 수 있는 독특한 기회를 제공받게 됐습니다. 

 

연구원들이 발견한 천체는 지구로부터 약 730광년 떨어진 곳에 위치하고 있었는데요. TOI 849 b라 명명되는 이 행성의 핵은 호스트 항성(host star)과 너무 가까워 1년은 겨우 18시간이고 표면 온도는 1800K 정도라고 합니다.

해왕성 크기 행성이 항성 가까운 곳을 지날 때. 출처: NASA / JPL-Caltech
해왕성 크기 행성이 항성 가까운 곳을 지날 때. 출처: NASA / JPL-Caltech

TOI 849 b는 NASA의 TESS(Transiting Exoplanet Survey Satellite)가 별을 조사하다가 발견했는데요. 통과 관측법(transit method)을 이용했습니다. 행성이 항성 사이를 지날 때 항성의 빛 일부를 차단하게 되는데요. 짧은 시간 동안 발생하지만 그 시간 동안 실제로 항성의 빛은 희미해집니다. 아주 작은 변화지만 천문학자들이 먼 곳에 있는 항성 주위에 외계행성이 존재한다는 단서를 찾기엔 충분합니다. 이러한 방법을 통해 천문학자들은 이 행성을 찾아냈고, 이는 '해왕성 사막(Neptunian desert)'에 위치하고 있었습니다. 참고로 천문학자들은 '해왕성 사막(Neptunian desert)'이란 용어를 해왕성 질량이거나 잘 관측되지 않지만, 그보다 더 큰 행성이 모항성과 지나치게 가까운 지역에 있을 때 사용합니다. 

 

이후 이 천체는 칠레에 있는 유럽 남반구 천문대(ESO)의 라 실라 천문대(La Silla Observatory)에서  HARPS 기구를 이용해 분석됐는데요. 이는 도플러 효과를 이용해 별빛의 스펙트럼에서 작은 이동으로 기록되는 우리를 향한 작은 움직임인 '워블(wobble)'을 측정함으로써 외계행성의 질량을 계산했습니다. 


질량은 해왕성과 비슷, 밀도는 훨씬↑

 

연구팀은 이 천체의 질량이 해왕성보다 2~3배 더 크지만, 밀도는 믿을 수 없을 정도로 높을 것이라고 추정했는데요. 질량을 구성하는 모든 물질이 해왕성과 같은 크기의 천체로 쪼그라들면서 엄청나게 밀도가 높아졌을 것이라고 합니다. Watson 박사는 "TOI 849 b는 우리가 이전에 본 천체들의 극단에 위치하는 특성들을 가진 행성이다"며 "따라서 현재 상태로 되려면 상당히 극단적인 어떤 조건을 거쳐 살아남았을 것으로 보인다"고 설명합니다. 이어 "사실 이 행성은 행성이 어떻게 형성되고 진화하는지에 대한 우리의 전통적인 견해에 도전한다"고 덧붙였습니다. 

우리 태양계의 해왕성 모습. 출처: NASA/JPL
우리 태양계의 해왕성 모습. 출처: NASA/JPL

Watson 박사에 따르면 이 정도 질량의 행성들은 근처에 있는 더 가벼운 가스를 먹어 치울 수 있을 만큼 충분히 큰 중력 당김이 있을 것으로 예상했는데요. 행성이 형성되는 동안 대기가 두꺼운 거대 가스 행성으로 빠르게 부풀어 확대됐을 것으로 추측합니다. 하지만 TOI 849 b의 경우 이렇게 두꺼운 대기가 사라지거나 어떤 이유로든 애초에 형성되지 않은 것으로 보입니다. 정확히 어떻게 이런 일이 일어났는지 아직은 미스터리입니다.

 

아마도 다른 행성과 충돌하거나 상호작용을 통해 벗겨졌거나 아니면 어떤 희귀한 형성 경로가 대기의 생성을 방해했을지도 모르겠습니다. 어떤 일이 일어났든지 간에 덕분에 과학자들은 거대한 행성 내부를 들여다 볼 수 있게 됐습니다. 그것도 행성 자체의 원시적인 핵을 보게 된 것이죠.

 

어쩌다 이런 모습으로?

 

Watson 박사는 "이 놀라운 천체는 우리에게 행성이 어떻게 형성되는지에 대해 더 많은 것을 알려줄 것이고, 처음으로 우리는 목성형 행성의 핵을 직접적으로 살펴보고 무엇으로 이뤄졌는지 알 수 있을 것"이라고 전했는데요. 이어 "이는 마치 자연이 지금까지 거대한 행성의 내부 작용을 우리 시야로부터 숨겨왔던 망토를 다시 찢어버리는 것 같다"고 덧붙였습니다. 

 

이번 연구의 주요 저자이자 워릭대학교(University of Warwick) 물리학과의 David Armstrong 박사는 "이 행성이 흔치 않게 거대한 행성이지만 우리가 알고 있는 가장 거대한 행성과는 거리가 멀다"며 "하지만 이는 우리가 알고 있는 가장 거대한 크기의 행성이고, 해왕성만한 것 치고 밀도가 매우 높아 이 행성이 매우 특별한 역사를 지니고 있다는 걸 말해준다"고 설명했습니다. David Armstrong 박사에 따르면 이러한 질량을 가지고, 생소한 위치에 놓여 있다는 사실 또한 연구에 도움이 된다고 말하는데요. 과학자들은 지금까지 해왕성과 비슷한 질량을 가진 행성이 짧은 공전 궤도에 놓여있는 걸 보지 못했다고 합니다. 

거대 가스 행성 대기 시뮬레이션. 출처: NASA/JPL-CalTech
거대 가스 행성 대기 시뮬레이션. 출처: NASA/JPL-CalTech

연구원에 따르면 TOI 849 b는 지구와 비슷한 밀도를 가진 거대한 지구형 행성이라고 하는데요. 일반적으로 이렇게 거대한 행성이 형성 됐을 때는 많은 양의 수소와 헬륨을 축적해 목성과 비슷한 크기로 성장할 것으로 기대하는데요. 따라서 이 행성 주변에서 과학자들이 가스를 보지 못한다는 사실은 이것이 노출된 행성의 핵이란 걸 시사합니다.  

 

연구원들에게는 그들이 발견한 천체가 왜 거대 가스행성이 아니라 노출된 행성의 핵으로 보고 있는지에 대해서는 두 가지 이론이 있는데요. 첫 번째는 이 천체는 한 때 목성과 비슷했지만 다양한 방법으로 모든 외부 가스를 잃었다는 겁니다. 두 번째는 실패한 거대 가스 행성일 수 있습니다. 과학자들은 거대 가스행성의 핵이 일단 형성되고 무언가 잘못돼 대기를 형성하지 않았을 수 있다는 것이죠. 

노출된 핵 보면 어떤 모습일까.. 궁금하다.. 출처: AdobeStock
노출된 핵 보면 어떤 모습일까.. 궁금하다.. 출처: AdobeStock

이번 발견을 통해 과학자들은 이러한 행성이 존재하며, 덕분에 우리 태양계에서는 볼 수 없는 방식으로 행성의 핵을 볼 수 있는 기회가 생겼습니다. 아직 과학자들은 목성의 핵의 특징에 대해서 완전히 알지 못하며, 이렇게 이상하고 특별한 외계행성은 행성 형성에 관한 창을 제공해줍니다. 

 

아직 이 특별한 천체에 대한 화학적 구성에 대한 정보는 없다고 하는데요. 연구원들은 다른 망원경을 이용해 계속 추적하고 있다고 합니다. TOI 849 b는 항성에 너무 가깝기 때문에 행성 주위에 남아 있는 모든 대기는 핵으로부터 보충되어야 한다고 합니다. 따라서 이러한 대기를 측정할 수 있다면 핵 자체의 구성에 대한 통찰력을 얻을 수 있다고 하는군요. 



##참고자료##

 


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