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이웃집과학자

외계행성, ‘물’ 흔하다?!

By 이웃집과학자

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요약

연구진은 우주와 지상에 있는 망원경들과 광범위한 분광 데이터를 이용해 Na, K, H₂O의 존재량을 밝혀냈습니다. 19개의 외계행성 중 6개 행성에서는 Na가, 또 다른 6개의 행성에서는 K가, 그리고 14개의 행성에서는 H₂O가 풍부하다는 걸 확인했습니다. 이는 산소의 주된 운반체인 '물'이 대기에 과잉으로 존재할 것이 예상된다는 것을 의미했습니다. 하지만 수증기 존재량은 예상치보다 놀랄 만큼 적었습니다.

거대한 외계행성.

출처:University of Cambridge/Amanda Smith
  • 서론

외계행성과학은 비교 연구의 시대로 접어들었습니다. 투과 스펙트럼으로부터 외계행성 대기의 물 존재량과 구름의 특성 등을 이용해 비교 연구를 수행했습니다. H₂O외에도 Na와 K는 우주와 지상 망원경을 사용해 거대 외계행성의 대기를 관측할 때 가장 많이 관찰되는 화학종입니다. 관측값의 정밀도가 향상됨에 따라 최근 연구에서는 투과 스펙트럼에서 Na와 K의 존재량을 발견할 수 있게 됐습니다.


우리 태양계에서 거대 행성의 대기에는 수소 대비 탄소의 양이 태양에 비해 상당히 높게 나타납니다. 이는 행성이 형성될 때 생겨났다고 추측되며 이는 많은 양의 얼음, 암석 그 밖에 입자들이 '강착(accretion)'이라 불리는 과정을 통해 행성에 유입됐기 때문으로 보입니다. 우리 태양계의 거대 행성들처럼 이 외계행성의 대기에도 수소가 풍부합니다. 하지만 이 행성들은 태양이 아닌 다른 종류의 항성을 공전하고 있습니다. 

강착(accretion)과정을 통해 원시 행성계 원반 만들어지나.

출처AdobeStock

다른 원소들의 존재량을 고려했을 때 거대 외계행성들 역시 특히 수소와 헬륨 다음으로 우주에서 가장 풍부한 원소인 산소가 대기에 많을 것으로 예측돼 왔습니다. 이는 산소의 주된 운반체인 '물'이 대기에 과잉으로 존재할 것으로 예상된다는 걸 의미했습니다. 하지만 외계행성을 태양계와 비교했을 때 H₂O존재량이 낮다는 사실을 발견합니다.


연구진들은 낮은 H₂O 존재량이 전체적으로 낮은 금속성 때문에 산소 존재량이 낮아져서인지 아니면 높은 C/O 비율 때문인지, 아니면 기타 메커니즘에 의한 것인지 명확하지 않았습니다. 그러므로 NA나 K와 같은 다른 원소들의 존재량을 추정하는 건 행성 형성 매커니즘에 잠재적인 제약을 제공합니다. 이번 연구에서는 광범위한 외계행성들의 Na, K, H₂O에 대한 연구를 수행하고 구성적 다양성에 대해 조사했습니다.


케임브리지대학교(University of Cambridge) 연구진은 19개의 외계 행성의 대기에서 얻은 데이터를 사용해 외계행성의 화학적, 열적 특성에 관한 상세한 측정치를 얻었습니다. 이 연구의 대상이 된 외계행성들의 크기는 지구 질량의 10배인 미니-해왕성(mini-Neptune)'부터 지구 질량의 600배인 슈퍼 목성(super-Jupiters)까지 다양했습니다. 온도 역시 20℃부터 2000℃ 이상까지 걸쳐져 있었습니다. 

  • 연구방법

연구진은 허블 우주망원경, 스피처 우주망원경, 칠레에 있는 초거대망원경 VLT(Very Large Telescope), 스페인에 있는 카나리아대형망원경(GTC·Gran Telescopio Canarias) 등 우주와 지상에 있는 망원경들을 이용해 광범위한 분광 데이터를 이용했습니다. 사용 가능한 관측치는 연구진들이 표본으로 놓인 전체 외계행성 대기의 화학원소존재비에 대한 추정치를 얻을 수 있게 해줍니다. 연구진은 범위는 상세한 계산 모델, 통계적 방법, 나트륨(NA)와 칼륨(K)의 원자 특성을 이용했습니다.


외계 행성 대기 분석 방법.

연구진은 지구질량의 10배인 미니-해왕성(mini-Neptune)부터 지구질량의 600배인 슈퍼 목성(super-Jupiters)까지, 질량 범위가 0.03~2.10M1인 외계행성을 표본으로 삼았습니다. 온도 범위는 20℃부터 2000℃ 이상의 범위에 걸쳐있습니다. 연구진은 10개의 뜨거운 목성(hot Jupiters)을 허블 우주망원경과 스피처 우주망원경으로 관측했습니다. 그리고 표본을 늘려 지상 망원경으로 5개의 외계행성을 더 관측했습니다. 그리고 H₂O가 강하게 탐지되는 외계행성 4개도 추가로 관측했습니다.  


데이터의 스펙트럼 범위는 다른 대기의 특성들과 함께 Na, K, H₂O를 동시에 제한할 수 있습니다. 광학 범위에서는 Na(~589nm), K(~770nm), 그리고 레일리 산란(Rayleigh scattering)이나 구름, 연무, 혹은 TiO같은 화학종에 의한 흡수와 같이 비산현상(scattering phenomena)에 기여하는 두드러진 특징들에 대해 조사합니다. 

레일리 산란(Rayleigh scattering)

빛의 파장보다 훨씬 더 작은 분자들과 입자들에 의한 산란을 말합니다. 공기 분자에 의한 산란으로 산란을 일으키는 입자의 크기가 전자파 파장보다 훨씬 작은 경우에 일어납니다. 파장이 짧을수록 강하게 산란됩니다. 따라서 레일리산란은 파장이 짧은 청색광이 가장 많이 산란되고, 파장이 긴 적색광이 가장 적게 산란됩니다. 푸른 하늘이나 저녁노을 등의 빛깔은 모두 이 레일리 산란이라고 볼 수 있습니다.

  • 연구결과

연구진은 19개의 외계행성 중 6개 행성에서는 NA가, 또 다른 6개의 행성에서는 K가, 그리고 14개의 행성에서는 H₂O가 풍부하다는 걸 확인했습니다. 연구진은 외계행성의 대기에 수증기가 흔하다는 사실을 발견합니다. 하지만 수증기 존재량은 예상보다 놀랄 만큼 적었습니다. 반면 일부 행성에서 발견되는 다른 원소들의 양은 예상과 일치했습니다.

외계행성의 대기를 연구함으로 물의 존재량 확인할 수 있다.

  • 논의

이번 연구에서 표본이 된 외계행성의 대기 조성의 주요한 추세를 발견했습니다. 미니 해왕성(mini-Neptune)에서 뜨거운 목성(Hot jupiters)까지 H₂O존재량은 일반적으로 평형 기대치와 비교했을 때 일치하거나 고갈됐으며 태양계와 비교했을 때 보단 낮았습니다. 거대 가스행성들은 Na와 K의 존재량이 그들의 모항성과 일치하거나 더 높게 측정됐습니다. 이 연구 결과는 다른 원소에 비해 산소가 고갈돼 있으며 이러한 외계 행성들이 어떻게 상당한 얼음의 강착(accretion) 없이 형성됐는지에 대한 화학적 단서를 제공합니다.


Madhusudhan 박사는 "다양한 항성 주위를 돌고 있는 광범위한 행성의 대기에서 이렇게 낮은 물 존재량을 보는 것이 믿기지 않는다"고 전했습니다. 이번 연구의 저자이자 천문 연구소의 박사과정 학생인 Luis Welbanks는 "외계행성 대기 내에서 이러한 화학원소존재비를 측정하는 건 우리의 가장 가까운 거대가스행성(gas giant)인 목성을 포함한 태양계 내의 거대 행성들에서도 수행할 수 없었다"며 "이를 고려하면 놀라운 일"이라고 밝혔습니다.

NASA의 주노 미션 등 목성 대기에서 물을 측정하려는 다양한 노력들이 난관을 맞고 있는 것으로 보이는데요. Welbanks는 "목성은 너무 추워서 대기 중 수증기가 응결돼 있어 측정이 어렵다"며 "만약 목성의 물 존재량이 예측대로 풍부하다는 것이 밝혀지면 이는 현재 연구에서 살펴본 외행성들과 목성은 다른 방식으로 형성됐다는 것을 암시할 것"이라고 설명했습니다. 

Madhusudhan 박사는 "우리는 향후 연구에서 행성 표본의 크기를 늘릴 전망"이라며 "아마도 우리는 다른 화학원소존재비 측정 뿐 아니라 이러한 추세에 대한 특이치를 발견할 것"이라고 전했습니다. 덧붙여 "물이 지구를 거주가능한 행성으로 만들어주는 핵심 요소란 걸 감안했을 때 태양계 너머의 행성시스템에서 얼마나 많은 물이 있는지 알아내는 건 중요하다"고 전했습니다. 

외계 행성.

출처Fotolia
  • 결론

이번 연구는 우리 태양계 밖의 행성 대기의 화학적 구성을 연구하기 위한 5년 간의 연구 프로그램의 일환입니다. 이 연구는 < The Astrophysical Journal Letters>에 게재됐습니다. 이 연구결과는 이미 확립된 모델에서 행성 대기의 화학적 원소가 동일하게 풍부하다고 가정할 수 없다는 점을 시사합니다.


5년 전 거대 외계행성에서 낮은 수증기 존재량을 최초로 측정했던 케임브리지 천문연구소의 Nikku Madhusudhan 박사는 "외계 세계에서 화학적 패턴의 첫 징후를 발견했다"며 "우리는 화학적 구성의 관점에서 외계행성이 얼마나 다양한지 보고 있다"고 전했습니다.


##참고자료## 

  •   Mass–Metallicity Trends in Transiting Exoplanets from Atmospheric Abundances of H2O, Na, and K 

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