2'40" 읽기
- 과거에 천문학자들은 종종 외계행성의 대기가 하나의 층으로 존재한다고 가정
- 가스 거인 WASP-189b의 광 스펙트럼 이상은 지역적으로 다른 조성을 가진 층으로 구성
- WASP-189b의 가스층에 산화티타늄이 포함되어 있다는 증거

겹겹이 쌓인 가스층이 있는 뜨거운 목성
외계 행성의 복잡한 대기에 대한 첫 번째 증거

복잡한 껍질:
천문학자들이 외계 행성에서 처음으로 복잡하고 층을 이룰 수 있는 대기를 감지했다.
뜨거운 가스 거인 WASP-189b의 광 스펙트럼의 이상은 지역적으로 다른 조성을 가진 가스 층을 나타낸다. 연구팀이 Nature Astronomy 저널에 보고한 바와 같이 극도로 뜨거운 행성은 또한 기체 산화티타늄의 UV 보호층을 가질 수 있다. 

▲ 극도로 뜨거운 외계행성 WASP-189b는 성층대기를 가지고 있을 수 있다(그림).© Bibiana Prinoth

지구와 태양계의 다른 행성들은 복잡하고 층이 있는 대기를 가지고 있다.
그러나 외계 행성의 가스 껍질이 어떻게 생겼는지 아직 많이 알려지지 않았다. 망원경의 해상도가 충분하지 않다. 개별 구성요소는 가스 금속, 시안화수소 가스 또는 광물 강옥(鋼玉 corundum 커런덤)구름을 포함한 소수의 뜨거운 가스 거인에서만 식별할 수 있었다.

눈에 보이는 극한의 행성

스웨덴 룬드 대학교(University of Lund)의 비비아나 프리노스(Bibiana Prinoth)가 이끄는 팀이 최근 더 자세히 살펴보는 데 성공했다. 그들은 칠레의 라 실라 천문대에서 CHEOPS 우주 망원경과 HARPS 기기로 뜨거운 목성 WASP-189b를 자세히 관찰했다. 우리로부터 322광년 떨어진 곳에 위치한 거대 가스 WASP-198b는 별과 매우 가깝게 공전하기 때문에 너무 뜨거워서 스스로 발광한다. 별 주위를 90도 기울어진 극궤도를 따른다.

하이라이트는 행성이 고정된 회전을 하기 때문에 항상 별의 같은 면을 향하고 있다는 것이다. 천문학자들은 "그러나 우리의 관점은 통과의 시작부터 끝까지 상당히 다양하다"고 말한다. 행성이 별 앞을 지나갈 때 아침 면이 조금 더 보이고 저녁 면이 보인다. 이를 통해 광 스펙트럼을 사용해 가스층의 구성에 지역적 또는 일일 차이가 있는지 결정할 수 있다.

금속 가스 및 강한 바람

"분석에서 우리는 다양한 가스의 흔적이 우리가 예상한 것과 약간 다르다는 것을 확인했다"고 Prinoth는 보고했다. 철, 크롬, 망간, 티타늄, 바나듐 및 니켈과 같은 기체 금속의 스펙트럼 특성은 일반적으로 검출 가능했다. 그러나 일부 스펙트럼 라인은 행성의 회전만으로 인한 것보다 훨씬 더 파란색으로 이동했다. "이러한 변화는 다른 요소들 간에도 일치하지 않는다"고 팀이 설명했다.

천문학자들에 따르면 이것은 WASP-189b의 대기가 모든 곳에서 동일하지 않으며 그 안에 역동적인 과정이 있음을 나타낸다. "강풍과 다른 과정이 이러한 변화를 일으킬 수 있다고 생각한다"고 Prinoth는 설명했다. 이 바람은 낮의 온도가 3200도에 달하지만 밤의 온도가 훨씬 더 낮다는 사실에 의해 촉발될 수 있다.

계층화의 증거

그러나 이것이 전부는 아니다. 서로 다른 요소의 스펙트럼 사인이 모두 같은 방식으로 파란색으로 이동되는 것은 아니다. 그 효과는 마그네슘과 크롬에서 매우 두드러지지만 분석에서 알 수 있듯이 티타늄과 산화티타늄에서는 감지할 수 없다.

Prinoth의 동료 Jens Hoeijmakers는 "서로 다른 가스의 지문이 다른 방식으로 수정되었기 때문에 이것이 다른 층에서 발생함을 나타낸다"고 말했다.

확인된다면 외계행성 주변에 이러한 성층화된 대기의 첫 번째 증거가 될 것이다.
"과거에 천문학자들은 종종 외계행성의 대기가 하나의 층으로 존재한다고 가정하고 그것을 그렇게 이해하려고 노력했다"고 Hoeijmakers는 말한다. "그러나 우리의 결과는 집중적으로 조사된 가스 거대 행성의 대기도 복잡한 3차원 구조를 가지고 있음을 보여준다.“

산화티타늄 자외선 차단층

새로운 연구는 또한 뜨거운 목성의 가스 껍질층의 특수 구성요소인 산화티타늄에 대한 더 많은 정보를 제공한다. "산화티타늄은 자외선과 같은 단파 복사를 흡수한다"고 공저자인 베른 대학의 Kevin Heng이 설명했다.

이 분자가 그러한 가스 거인의 뜨거운 대기에 존재할 수 있다는 징후가 오랫동안 있었다. 그러나 이전 관측에서는 해상도가 낮아 다른 UV 흡수제 및 체계적인 간섭 효과와 구별하기 어려웠다.

CHEOPS와 HARPS에 의한 고해상도 스펙트럼 분석은 이제 WASP-189b의 가스층에 산화티타늄이 포함되어 있음을 분명히 보여준다. "그의 발견은 지구의 오존층과 유사한 항성 복사와 상호 작용하는 WASP-189b 대기의 층을 가리킬 수 있다"고 Heng은 설명했다.
(Nature Astronomy, 2022; doi: 10.1038/s41550-021-01581-z)
출처: 베른 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]