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* WASP-189b는 90도 기울어진 궤도로, 이중성 HD 98800 B 행성 원반도 극지방으로 회전
* 로시터-맥러플린(Rossiter-McLaughlin) 효과
* 스펙트럼 적색 또는 청색 이동의 범위와 시간적 순서에서 지나가는 행성의 궤도 기울기를 판독
* 조석 효과 혹은 다른 간섭자의 영향으로 원래 궤도에서 밀려났을 수 있어

극 행성의 수수게끼
궤도가 90도 기울어진 눈에 띄는 외계 행성 무리가 발견됐다.

신비한 행성의 움직임

보통의 평면에 수직으로 별 주위를 도는 외계 행성이 놀라울 정도로 많다.
이 행성들은 적도보다 극지방을 선호한다는 연구 결과가 나왔다. 이것은 모든 각도에서 이러한 경로 편차를 예상하는 무작위 분포와 모순된다. 정확히 왜 항성에 대해 90도 기울어진 행성 궤도가 그렇게 자주 발생하는지는 아직 불분명하다. 

▲ 이 외계행성은 행성의 정상적인 궤도면에 수직인 극 궤도에서 별을 공전한다. © ESO/ B. Addison

 
지구와 태양계의 다른 모든 행성은 같은 높이에 있다.
그들은 거의 적도 수준에서 태양을 공전하고 태양의 자전 방향으로 움직인다.

이것은 우연이 아니다. 이 배열은 태양과 행성이 회전하는 동일한 먼지와 가스 원반에서 기원하기 때문에 발생한다. 그러나 최근 몇 년 동안 천문학자들은 그림에 맞지 않는 외계 행성을 발견했다.
뜨거운 가스 거인 WASP-189b는 90도 기울어진 궤도로 별을 공전하며 이중성 HD 98800 B의 원시 행성 원반도 극지방으로 회전한다.

통과 스펙트럼은 외계 궤도 기울기를 보여준다.

오르후스 대학(University of Aarhus)의 사이먼 알브레히트(Simon Albrecht)와 그의 동료들은 최근 그러한 궤도 편차가 얼마나 자주 발생하고 이 행성이 어떤 궤도 기울기를 나타내는지 조사했다. 이것은 소위 로시터-맥러플린(Rossiter-McLaughlin) 효과에 의해 가능하다.
행성이 별 앞에서 통과할 때 항성 광 스펙트럼의 이상 현상이다.
이 스펙트럼 적색 또는 청색 이동의 범위와 시간적 순서에서 천문학자들은 지나가는 행성의 궤도 기울기를 읽을 수 있다.

Albrecht와 팀은 연구를 위해 필요한 모든 데이터를 이용할 수 있는 57개의 외계 행성계를 선택했다. 샘플에는 적색 왜성에서 뜨거운 거성에 이르기까지 다양한 질량과 온도를 가진의 별들이 포함됐다. 이들의 외계 행성의 스펙트럼도 넓다. 

지구와 유사한 TRAPPIST-1 주변의 7개의 행성과 단 하나의 뜨거운 가스 거인이 있는 단일 행성 시스템이 표시됐다. 

▲ 그림 1. 문제의 기하학. 기울기 ψ, 하늘에 투영된 기울기 λ, 별의 기울기 i 및 궤도 기울기 io(이는 통과하는 행성의 경우 항상 90° 근처)가 표시된다. Perryman(2011)이 유사한 그림을 모델로 했다. (출처: 관련논문 A Preponderance of Perpendicular Planets)

극궤도를 선호하는 19개의 일탈자

결과:
대부분의 외계 행성은 예상대로 별의 적도면에서 움직였다.
적어도 19개의 별은 행성의 일탈이 있었다. 그들의 궤도는 정상적인 궤도면 밖에 있다.
"이상한 점은, 이러한 편차 시스템은 가능한 경사의 전체 범위를 포괄하지 않는다. 대신에, 거의 수직 궤도에 대한 뚜렷한 선호도를 보인다”고 천문학자들은 보고했다.

특히, 현저하게 일탈한 행성들은 정상적인 적도 평면에 대해 80도에서 125도 사이로 기울어진 궤도를 가지고 있었다. 결과적으로, 이 행성들은 거의 극 궤도에서 별을 공전했다.
Albrecht와 동료들은 "이것이 단지 우연의 일치일 가능성은 거의 없다"고 말했다.
사실, 여러 통계적 테스트를 통해 이 극궤도 군집이 존재함을 확인했다.

이유는 무엇일까?

일부 행성이 일반적인 평면에 정확히 수직으로 움직이는 이유는 무엇 때문일까?
편향된 행성계의 특성은 지금까지 몇 가지 단서를 제공했을 뿐이다. 

연구팀이 발견한 바와 같이, 그러한 극 행성은 조사된 모든 스펙트럼 등급의 별 주위에서 발생하기 때문이다.
별에서 편향하는 행성의 거리는 또한 3~40 항성 반경으로 다양하다.

연구원들은 두 가지 유형의 외계 행성에서만 약간의 축적을 발견했다.
샘플에서 목성이라고 칭한 6개와 해왕성 크기의 행성 3개는 극성 이탈체였다.
이것은 90도의 궤도 경사가, 더 큰 행성에서 발생할 가능성이 더 높다는 것을 나타낼 수 있다. 그러나 이것은 천문학자들이 설명하는 것처럼 아직 이러한 극지방 선호의 이유를 결정하기에 충분하지 않다.

여러 메커니즘을 생각할 수 있다.

팀에 따르면 이론적으로 몇 가지 메커니즘을 생각할 수 있다.

▲ 극도로 뜨거운 행성 KELT-9b는  별을매우 가까이에서 자전축에  직각으로 공전한다.  © NASA / JPL-Caltech

첫 번째는 조석 효과로, 항성 중력의 약간의 변동이 주변 행성을 점차적으로 편향시키는 것이다. 행성은 항성 반경 10개보다 더 가까워야 하고 별 내부에 큰 역전 전류가 있어야 한다. 그러나 Albrecht와 그의 동료들이 발견한 바와 같이 극지방을 벗어난 행성들의 절반 이상에 적용되지 않는다.

또 다른 가능성은 편차가 더 멀리 돌고 있는 다른 행성이나 다른 간섭자의 영향으로 원래 궤도에서 밀려났을 수도 있다. 연구팀에 따르면 모든 극 시스템이 이에 대한 요구 사항을 충족하는 것은 아니다. "구부러진" 항성 자기장이 이미 원시 행성 원반을 적도 위치 밖으로 이동시켰을 수도 있다.

실제로 북극 행성 궤도의 이상한 축적의 원인은 열려 있다. 
Albrecht와 그의 팀은 "자연은 궤도와 별을 기울이기 위해 단일 메커니즘을 사용할 의무가 없다"며 "따라서 우리 표본의 행성계는 매우 다른 방식으로 거의 수직으로 배열되었을 수 있다"고 말했다.
(Astrophysical Journal Letters, 2021; doi: 10.3847 / 2041-8213 / ac0f03)
출처: AAS Nova

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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