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- 뜨거운 외계 행성 WASP-121b의 낮과 밤의 모습 첫 관찰
- 목성 두 배 크기, 30.6시간의 공전 주기, 낮에는 2,700도 밤에는 1,200도
- 극한 기상학 세계에서 금속 비가 내린다.

액체 보석 구름이 있는 외계 행성
천문학자들은 "지옥 같은" 가스 거인의 낮과 밤 얼굴을 처음으로 봤다.

강옥 구름, 액체 금속의 비, 극심한 폭풍우:
천문학자들이 처음으로 이국적인 행성인 뜨거운 목성 WASP-121b의 기상 과정을 엿볼 수 있었다. 이 외계 행성은 별에 너무 가깝기 때문에 밤의 온도도 1,500도이다. 강옥과 페로브스카이트가 녹은 방울 구름이 그곳에서 형성되고 끈적하게 녹은 금속 비가 내린다. 연구팀이 Nature Astronomy에 보고했다. 

▲ 외계행성 WASP-121b는 낮에 너무 뜨거워서 금속도 기화한다. © Patricia Klein / MPI für Astronomie

뜨거운 목성은 외계 행성 중 극단적인 것 중 하나다.
이 가스 거인은 별을 너무 가깝게 공전해 낮의 대기가 수천 도에 이른다. 이러한 조건에서 분자는 붕괴되고 금속조차도 기체가 된다. 이 지옥 같은 행성 중 일부는 너무 뜨거워서 스스로 빛난다. 반면에 이 행성의 밤 쪽은 훨씬 더 시원하다. 그곳에서도 열은 여전히 ​​액체 금속 비와 이산화티타늄의 눈을 생성하기에 충분하다.

지금까지 그러한 뜨거운 목성에 대한 관측은 항상 목성의 가스 외피와 그 안의 지배적인 조건에 대한 대략적인 스냅샷만을 제공했다.

낮과 밤의 모습 처음 보다.

하이델베르그에 있는 막스 플랑크 천문학 연구소의 토마스 미칼-에반스가 이끄는 천문학자들은 이제 처음으로 이렇게 뜨거운 목성의 날씨에 대한 더 완전한 그림을 얻는 데 성공했다. 팀의 목표는 855광년 떨어져 있는 외계 행성 WASP-121b로 목성 크기의 약 두 배인 뜨거운 가스 거인. 이 행성은 30.6시간의 공전 주기로 항성을 매우 가깝게 공전하며 항상 같은 면을 향하고 있다.

"WASP-121b의 전체 표면을 연구하기 위해 우리는 두 개의 완전한 행성 궤도 동안 스펙트럼을 기록하기 위해 허블을 사용했다"고 볼티모어에 있는 존스 홉킨스 대학의 데이빗 싱(David Sing)이 설명했다. 이를 통해 팀은 상층 대기의 구성과 낮과 밤의 온도를 매핑할 수 있었다. 이것은 그러한 외계 행성의 가스 외피가 지구 시스템으로 기능하는 방법에 대한 최초의 포괄적인 그림을 제공한다.

▲ 연구팀은 외계 행성이 별 앞을 통과하는 것으로 낮과 밤의 스펙트럼 데이터를 수집할 수 있었다. © ESA/MPI für Astronomie

보석과 금속의 구름

스펙트럼 분석 결과 WASP-121b는 낮 동안에 2,700도 이상 뜨거워진다. 이것은 물 분자조차 찢어 버리고 금속을 기화시킬 만큼 높은 온도다. 반면에 밤에는 기온이 1,200도까지 떨어진다. 천문학자들은 "이것은 철, 바나듐, 칼슘, 마그네슘이 응축될 만큼 충분히 차갑다"고 보고했다. 따라서 이러한 금속은 빛나는 액체 물방울을 형성하며 그 중 일부는 부유 상태로 남아 있고 일부는 비로 떨어진다.

이 행성의 밤에는 다른 신비로운 구름이 있다.
스펙트럼 데이터에 따르면 페로브스카이트(CaTiO3), 포스테라이트(Mg2Si3) 및 커런덤(Al2O3)과 같은 광물 방울도 그곳에서 형성된다. 커런덤은 루비와 사파이어가 생성되는 광물이다.
"액체 보석"은 또한 뜨거운 가스 거인에 구름을 형성하고 밤하늘에서 비가 내린다.
관찰 결과 낮에 쪼개진 물 분자가 밤에 다시 결합하여 수증기를 형성하는 것으로 나타났다.

▲ 액체 커런덤, 페로브스카이트 및 금속 구름이 WASP-121b의 밤 면(face)에 형성된다. © Patricia Klein / MPI for astronomy

폭풍은 지구 주위에 금속과 공동을 몰아낸다.

이 야행성 구름 형성은 일방통행로가 아니다. 일부 모델에서는 야간에 응축된 금속이 하부 지역으로 비가 내려 상부 가스 외피에서 사라진다고 제안하지만 WASP-121b의 스펙트럼 데이터는 그렇지 않은 것으로 나타났다. 밤에서 낮으로 전환할 때 상층 대기에는 다시 증발하기에 충분한 금속성 부유 방울이 있다.

이에 대한 한 가지 설명은 뜨거운 외계행성의 강한 바람일 수 있다.
낮과 밤사이의 엄청난 온도 차이로 인해 폭풍이 초당 5km 이상으로 행성 주위를 질주한다. 이는 시속 18,000km에 해당한다. "이러한 바람은 우리의 제트기류보다 훨씬 빠르며 단 20시간 만에 지구 전체를 휩쓸 수 있다"고 공동 저자인 MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 Tansu Daylan이 말했다.

이 맹렬한 바람은 완전히 비가 내리기 전에 밤에서 낮까지 액체 금속과 보석 방울을 쓸어버릴 수 있다. 낮에는 이러한 금속이 다시 기화하여 기체가 된다. 반대로, 폭풍은 수소와 산소 원자를 밤으로 몰아가 재결합하여 물을 형성한다.

극한 세계의 기상학

Mikal-Evans는 "이것은 처음으로 외계 행성의 기상학에 대한 전 지구적 관점을 제공한다."라고 말했다. 그러나 뜨거운 목성의 경우 낮과 밤의 극도의 대조로 인해 태양계의 행성에서 우리가 알고 있는 것보다 훨씬 더 극단적이고 이국적인 기상 조건이 보장된다.

천문학자들은 제임스 웹 우주 망원경의 관측이 곧 WASP-121b의 대기와 날씨에 대해 더 많이 밝혀지기를 희망한다. 새로운 망원경의 작동 첫해에 이 외계행성을 목표로 삼을 계획이 이미 계획돼 있다. 그것의 적외선 광학은 또한 행성 가스 외피의 더 깊은 층의 특성과 바람이 얼마나 빨리 부는지에 대한 더 많은 정보를 제공할 수 있다.
(Nature Astronomy, 2022; doi: 10.1038/s41550-021-01592-w)
출처: Max Planck Institute for Astronomy, Massachusetts Institute of Technology

[더사이언스플러스=The SCIENCE plus]

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