결국 외계 행성 트라피스트-1 b에는 대기가 있는 걸까?

제임스 웹 우주 망원경(JWST)을 이용한 최근의 측정 결과는 트라피스트-1 b 외계 행성의 본질에 대한 현재의 이해에 의문을 제기했습니다. 지금까지는 대기가 없는 어두운 암석 행성으로 추정되었으며, 수십억 년 동안 방사선과 운석의 우주적 충격으로 형성된 것으로 여겨졌습니다. 사실은 그 반대인 듯합니다. 표면에는 풍화 흔적이 보이지 않아 화산 활동이나 판구조론과 같은 지질 활동을 나타낼 수 있습니다. 또는 이산화탄소로 구성된 흐린 대기를 가진 행성도 가능합니다. 이 결과는 얇은 대기를 가진 외계 행성의 특성을 결정하는 데 어려움이 있음을 보여줍니다.

Trappist-1 b는 40광년 떨어진 별 Trappist-1을 공전하는 7개의 암석 행성 중 하나입니다. 이 행성계는 천문학자들이 비교적 가까운 거리에서 지구와 비슷한 7개의 행성을 연구할 수 있게 해주기 때문에 독특하며, 그중 3개는 소위 거주 가능 구역에 있습니다. 이는 행성계에서 행성 표면에 액체 물이 있을 수 있는 영역입니다. 지금까지 10개의 연구 프로그램이 제임스 웹 우주 망원경(JWST)으로 290시간 동안 이 시스템을 표적으로 삼았습니다.

영어: 하이델베르크에 있는 막스 플랑크 천문학 연구소(MPIA)의 연구자들이 상당히 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(기본적으로 열 복사)를 측정한 것을 사용하며, 이제 Nature Astronomy 저널에 게재되었습니다. 여기에는 이전 결론의 기반이 된 작년의 결과가 포함되어 있으며, Trappist-1 b를 대기가 없는 어두운 암석 행성으로 설명합니다.

트라피스트-1b의 지각은 지질학적으로 활동적일 수 있다

'그러나 대기가 없는 심하게 풍화된 표면을 가진 암석 행성이라는 생각은 현재 측정과 일치하지 않습니다.' 관측 프로그램을 공동으로 담당한 MPIA 천문학자 Jeroen Bouwman이 말했습니다. '따라서 행성은 비교적 변하지 않은 물질로 덮여 있다고 생각합니다.' 일반적으로 표면은 중심 별의 복사와 운석의 충돌로 풍화됩니다. 그러나 결과에 따르면 표면의 암석은 최대 약 1000년 정도로, 수십억 년 전으로 추정되는 행성 자체보다 훨씬 짧습니다.

이는 행성의 지각이 극심한 화산 활동이나 판구조론으로 설명될 수 있는 극적인 변화를 겪고 있음을 나타낼 수 있습니다. 그러한 시나리오가 현재로선 가설에 불과하더라도 그럴 가능성이 있습니다. 행성은 충분히 크기 때문에 내부가 형성 시의 잔여 열을 유지했을 수 있습니다. 지구와 마찬가지입니다. 중앙 별과 다른 행성의 조석 효과로 인해 Trappist-1 b가 변형되어 결과적으로 발생하는 내부 마찰로 인해 열이 생성될 수 있습니다. 목성의 위성 이오에서 볼 수 있는 것과 유사합니다. 또한 근처 별의 자기장에 의한 유도 가열도 생각할 수 있습니다.

트라피스트-1b에 대기가 있을 수 있을까?

MPIA의 명예 이사인 토마스 헤닝은 '데이터는 또한 완전히 다른 솔루션을 허용합니다.'라고 말합니다. 그는 MIRI 기구의 주요 설계자 중 한 명이었습니다. 그는 '이전의 아이디어와 달리 행성이 이산화탄소(CO 2 )가 풍부한 두꺼운 대기를 가질 수 있는 조건이 있습니다.'라고 덧붙였습니다. 이 시나리오에서 중요한 역할은 상층 대기의 탄화수소 화합물, 즉 스모그의 안개입니다.

현재 연구에서 서로 보완하는 두 가지 관측 프로그램은 열적외선 범위(12.8 및 15마이크로미터)의 다른 파장에서 Trappist-1 b의 밝기를 측정하도록 설계되었습니다. 첫 번째 관측은 CO 2 층이 행성의 적외선 복사를 흡수하는 것에 민감했습니다. 그러나 어두워지는 현상은 측정되지 않아 연구자들은 행성에 대기가 없다고 결론지었습니다.

연구팀은 안개가 CO 2가 풍부한 대기의 온도 계층을 역전시킬 수 있다는 것을 보여주는 모델 계산을 수행했습니다. 일반적으로, 더 높은 압력 때문에 낮은 지상 수준 층은 더 따뜻합니다. 안개가 별빛을 흡수하고 따뜻해짐에 따라 온실 효과에 의해 뒷받침되는 대신 상층 대기 층을 가열합니다. 결과적으로, 그곳의 이산화탄소는 적외선 복사를 스스로 방출합니다.

우리는 토성의 위성 타이탄에서도 비슷한 일이 일어나는 것을 봅니다. 그 안개 층은 대기 중의 탄소가 풍부한 가스에서 나오는 태양의 자외선(UV) 복사의 영향으로 형성될 가능성이 가장 큽니다. 비슷한 과정이 트라피스트-1 b에서도 일어날 수 있는데, 그 별이 상당한 양의 UV 복사를 방출하기 때문입니다.

데이터가 이 시나리오에 맞더라도 천문학자들은 여전히 ​​비교적 가능성이 낮다고 생각합니다. 한편으로는 CO 2 가 풍부한 대기에서 안개를 형성하는 탄화수소 화합물을 생성하는 것이 더 어렵지만 불가능하지는 않습니다 . 그러나 타이탄의 대기는 주로 메탄으로 구성되어 있습니다. 반면에 문제는 트라피스트-1을 포함한 활성 적색 왜성이 수십억 년에 걸쳐 주변 행성의 대기를 쉽게 침식할 수 있는 복사선과 바람을 생성한다는 것입니다.

Trappist-1 b는 현재 암석 행성의 대기를 탐지하고 결정하는 것이 얼마나 어려운지를 보여주는 생생한 예입니다. 심지어 JWST의 경우에도 마찬가지입니다. 암석 행성은 가스 행성에 비해 얇고 측정 가능한 신호가 약할 뿐입니다. 두 파장에서 밝기 값을 제공하는 Trappist-1 b를 연구하기 위한 두 가지 관측은 거의 48시간 동안 지속되었는데, 이는 행성에 대기가 있는지 의심의 여지 없이 결정하기에 충분하지 않았습니다.

도구로서의 일식과 엄폐

관찰은 Trappist-1에 대한 우리의 시선에 대한 행성 평면의 약간의 경사를 이용했습니다. 이 방향은 일곱 행성이 별 앞을 지나가고 각 궤도 동안 약간 어두워지게 합니다. 결과적으로 이는 여러 가지 방법으로 행성의 본질과 대기에 대해 배우는 결과를 낳습니다.

소위 통과 분광법은 신뢰할 수 있는 방법으로 입증되었습니다. 여기에는 파장에 따라 행성에 의한 별의 어두워짐을 측정하는 것이 포함됩니다. 천문학자들이 행성의 크기를 결정하는 불투명한 행성체에 의한 엄폐 외에도 대기 가스는 특정 파장에서 별빛을 흡수합니다. 이를 통해 행성에 대기가 있는지, 그리고 무엇으로 구성되어 있는지 추론할 수 있습니다. 불행히도 이 방법은 단점이 있으며, 특히 Trappist-1과 같은 행성계의 경우 그렇습니다. 차갑고 붉은 왜성은 종종 큰 별점과 강한 분출을 보여 측정에 상당한 영향을 미칩니다.

천문학자들은 현재 Trappist-1 b에 대한 연구에서처럼 별에 의해 가열된 외계 행성의 측면을 열적외선으로 관찰함으로써 이 문제를 대체로 우회합니다. 밝은 낮 측면은 행성이 별 뒤에서 사라지기 직전과 직후에 특히 쉽게 볼 수 있습니다. 행성이 방출하는 적외선 복사에는 표면과 대기에 대한 정보가 포함되어 있습니다. 그러나 이러한 관찰은 통과 분광법보다 시간이 많이 걸립니다.

이러한 소위 2차 일식 측정의 잠재력을 감안하여, NASA는 최근 근처의 저질량 별 주변의 암석 행성의 대기를 연구하기 위한 광범위한 관측 프로그램을 승인했습니다. 이 특별한 프로그램인 'Rocky Worlds'에는 JWST를 이용한 500시간의 관측이 포함됩니다.

Trappist-1 b에 대한 확신

연구팀은 또 다른 관측 변형을 사용하여 확실한 확인을 얻을 수 있을 것으로 기대합니다. 별 주위의 행성의 완전한 궤도를 기록하며, 별 앞을 지날 때 어두운 밤 면부터 별에 가려지기 직전과 직후의 밝은 낮 면까지 모든 조명 단계를 포함합니다. 이 접근 방식을 통해 팀은 궤도를 따라 행성의 밝기 변화를 나타내는 소위 위상 곡선을 만들 수 있습니다. 그 결과 천문학자들은 행성의 표면 온도 분포를 추론할 수 있습니다.

팀은 이미 Trappist-1 b로 이 측정을 수행했습니다. 행성에서 열이 어떻게 분포되는지 분석함으로써 대기의 존재를 추론할 수 있습니다. 대기는 낮 쪽에서 밤 쪽으로 열을 전달하는 데 도움이 되기 때문입니다. 두 면 사이의 전환에서 온도가 갑자기 변하면 대기가 없음을 나타냅니다.

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