결국 외계 행성 Trappist-1 b에는 대기가 있습니까?

JWST(James Webb Space Telescope)를 이용한 최근 측정은 외계 행성 Trappist-1 b의 본질에 대한 현재의 이해에 의문을 제기했습니다.

지금까지 이 행성은 대기가 없는 암흑 암석 행성으로 수십억 년에 걸친 방사선과 운석의 우주 충돌로 형성된 것으로 추정됐다. 그 반대가 사실인 것 같습니다. 표면에는 화산 활동이나 판 구조론과 같은 지질학적 활동을 나타낼 수 있는 풍화 작용의 흔적이 전혀 없습니다.

또는 이산화탄소로 구성된 흐릿한 대기를 가진 행성도 가능합니다. 이번 결과는 대기가 얇은 외계 행성의 특성을 결정하는 데 어려움이 있음을 보여줍니다.

트라피스트-1 b는 40광년 떨어진 별 트라피스트-1 주위를 공전하는 7개의 암석 행성 중 하나입니다.

행성계는 천문학자들이 상대적으로 가까운 거리에서 지구와 유사한 7개의 행성을 연구할 수 있고 그 중 3개가 소위 거주 가능 구역에 있다는 점에서 독특합니다. 

이것은 행성이 표면에 액체 물을 가질 수 있는 행성계의 영역입니다. 현재까지 10개의 연구 프로그램이 JWST(James Webb Space Telescope)를 사용하여 290시간 동안 이 시스템을 목표로 삼았습니다.

하이델베르크에 있는 막스 플랑크 천문학 연구소(MPIA)의 연구원들이 크게 참여한 이번 연구는 프랑스 파리에 있는 Commissariat aux Énergies Atomiques(CEA)의 Elsa Ducrot가 주도했습니다. 

이 연구는 JWST의 MIRI(Mid-Infrared Imager)를 사용하여 Trappist-1 b 행성의 열적외선 복사(본질적으로 열 복사) 측정을 사용하며 현재 저널에 게재되었습니다. 자연 천문학. 여기에는 Trappist-1 b를 대기가 없는 어두운 암석 행성으로 묘사하는 이전 결론의 기초가 된 작년의 결과가 포함됩니다.

Trappist-1 b의 지각은 지질학적으로 활동적일 수 있습니다.

그러나 관측 프로그램을 공동으로 책임지고 있는 MPIA 천문학자 Jeroen Bouwman은 "그러나 대기 없이 심하게 풍화된 표면을 가진 암석 행성에 대한 생각은 현재 측정과 일치하지 않습니다"라고 말했습니다.

'그러므로 우리는 행성이 상대적으로 변하지 않은 물질로 덮여 있다고 생각합니다.'

일반적으로 표면은 중심 별의 복사와 운석의 충격으로 인해 풍화됩니다. 그러나 결과에 따르면 표면에 있는 암석의 나이는 기껏해야 약 1000년으로 수십억 년 전으로 추정되는 행성 자체보다 훨씬 적습니다.

이는 행성의 지각이 극심한 화산 활동이나 판 구조론으로 설명될 수 있는 극적인 변화를 겪고 있음을 나타낼 수 있습니다. 그러한 시나리오가 현재 여전히 가설에 불과하더라도 그럴듯합니다.

행성은 지구와 마찬가지로 내부가 형성 과정에서 남은 열을 보유하고 있을 만큼 충분히 큽니다. 중앙 별과 다른 행성의 조석 효과는 Trappist-1 b를 변형시켜 결과적인 내부 마찰로 인해 열이 발생합니다.

이는 목성의 위성 Io에서 볼 수 있는 것과 유사합니다. 또한 근처 별의 자기장에 의한 유도 가열도 생각할 수 있습니다.

결국 Trappist-1 b가 분위기를 가질 수 있을까요?

MPIA의 명예 이사인 Thomas Henning은 '데이터는 완전히 다른 솔루션을 허용합니다'라고 말합니다. 그는 MIRI 장비의 주요 설계자 중 한 명이었습니다.

'이전의 생각과는 달리, 행성이 이산화탄소(CO)가 풍부한 두꺼운 대기를 가질 수 있는 조건이 있습니다.₂)'라고 덧붙였습니다. 이 시나리오에서 중요한 역할은 탄화수소 화합물로 인한 안개, 즉 상층 대기의 스모그입니다.

현재 연구에서 서로를 보완하는 두 가지 관측 프로그램은 열적외선 범위(12.8 및 15 마이크로미터)의 서로 다른 파장에서 Trappist-1b의 밝기를 측정하도록 설계되었습니다. 첫 번째 관찰은 CO 층에 의한 행성의 적외선 복사 흡수에 민감했습니다.₂. 그러나 밝기가 측정되지 않았으므로 연구자들은 행성에 대기가 없다고 결론을 내렸습니다.

연구팀은 연무가 CO의 온도 층화를 역전시킬 수 있음을 보여주는 모델 계산을 수행했습니다.₂-풍부한 분위기. 일반적으로 낮은 지면 층은 더 높은 압력으로 인해 위쪽 층보다 따뜻합니다. 안개가 별빛을 흡수하고 따뜻해지면 대신 온실 효과에 의해 대기 상부층이 가열됩니다. 결과적으로 그곳의 이산화탄소는 적외선 자체를 방출합니다.

토성의 달인 타이탄에서도 비슷한 일이 일어나는 것을 볼 수 있습니다. 안개층은 대기 중 탄소가 풍부한 가스에서 나오는 태양 자외선(UV) 복사의 영향으로 형성될 가능성이 높습니다. Trappist-1 b에서도 상당한 UV 방사선을 방출하는 별 때문에 유사한 과정이 발생할 수 있습니다.

복잡해요.

데이터가 이 시나리오에 적합하더라도 천문학자들은 여전히 ​​비교했을 때 그럴 가능성이 낮다고 생각합니다. 한편으로는 CO가 풍부한 대기에서 안개를 형성하는 탄화수소 화합물을 생산하는 것이 불가능하지는 않지만 더 어렵습니다.₂. 그러나 타이탄의 대기는 주로 메탄으로 이루어져 있습니다. 반면, 트라피스트-1을 포함한 활성 적색 왜성은 수십억 년에 걸쳐 인근 행성의 대기를 쉽게 침식할 수 있는 방사선과 바람을 생성한다는 문제가 남아 있습니다.

Trappist-1 b는 현재 JWST에서도 암석 행성의 대기를 탐지하고 결정하는 것이 얼마나 어려운지를 보여주는 생생한 예입니다. 그들은 가스 행성에 비해 얇고 측정 가능한 신호가 약합니다. 두 가지 파장의 밝기 값을 제공하는 Trappist-1 b를 연구하기 위한 두 가지 관측은 거의 48시간 동안 지속되었으며, 이는 행성에 대기가 있는지 여부를 의심할 여지 없이 결정하기에는 충분하지 않았습니다.

도구로서의 일식과 신비술

관측은 Trappist-1에 대한 우리의 시선에 대한 행성 평면의 약간의 기울어짐을 이용했습니다. 이 방향으로 인해 7개의 행성이 별 앞을 지나가고 각 궤도 동안 약간 어두워집니다. 결과적으로, 이는 여러 가지 방법으로 행성의 성격과 대기에 대해 학습하게 됩니다.

소위 통과 분광법은 신뢰할 수 있는 방법임이 입증되었습니다. 여기에는 파장에 따라 행성별로 별이 어두워지는 정도를 측정하는 작업이 포함됩니다. 천문학자들이 행성의 크기를 결정하는 불투명한 행성체에 의한 엄폐 외에도 대기 가스는 특정 파장의 별빛을 흡수합니다. 이를 통해 그들은 행성에 대기가 있는지 여부와 그것이 무엇으로 구성되어 있는지 추론할 수 있습니다. 불행히도 이 방법은 특히 Trappist-1과 같은 행성계의 경우 단점이 있습니다. 차가운 적색 왜성은 종종 큰 흑점과 강력한 분출을 보여 측정에 큰 영향을 미칩니다.

천문학자들은 현재 Trappist-1 b에 대한 연구에서와 같이 열 적외선으로 별에 의해 가열된 외계 행성의 측면을 관찰함으로써 이 문제를 대부분 우회합니다. 밝은 낮의 모습은 행성이 별 뒤로 사라지기 직전과 직후에 특히 쉽게 볼 수 있습니다. 행성이 방출하는 적외선에는 표면과 대기에 대한 정보가 포함되어 있습니다. 그러나 이러한 관찰은 통과 분광법보다 시간이 더 많이 걸립니다.

이러한 소위 2차 일식 측정의 잠재력을 고려하여 NASA는 최근 저질량 별 근처의 암석 행성의 대기를 연구하기 위한 광범위한 관측 프로그램을 승인했습니다. 이 특별한 프로그램인 'Rocky Worlds'에는 JWST를 통한 500시간의 관찰이 포함되어 있습니다.

Trappist-1 b에 대한 확실성

연구팀은 또 다른 관찰 변형을 이용해 확실한 확증을 얻을 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이는 별 앞을 통과할 때 어두운 밤 쪽부터 별에 의해 덮이기 직전과 직후 밝은 낮까지 모든 조명 단계를 포함하여 별 주위의 행성의 전체 궤도를 기록합니다. 이 접근 방식을 통해 팀은 궤도에 따른 행성의 밝기 변화를 나타내는 소위 위상 곡선을 만들 수 있습니다. 결과적으로 천문학자들은 행성의 표면 온도 분포를 추론할 수 있습니다.

팀은 이미 Trappist-1 b를 사용하여 이 측정을 수행했습니다. 열이 지구에 어떻게 분포되는지 분석함으로써 대기의 존재를 추론할 수 있습니다. 이는 대기가 낮 쪽에서 밤 쪽으로 열을 전달하는 데 도움이 되기 때문입니다. 양면 사이의 전이에서 온도가 급격히 변하면 대기가 없음을 나타냅니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241216130034.htm