천문학자들의 최근 관찰에 따르면 태양과 같은 별을 아주 가까운 거리에서 공전하는 암석 외계 행성은 실제로 상대적으로 두꺼운 대기를 유지하고 있는 것으로 나타났습니다. 이 결과는 그러한 행성의 진화에 대한 사람들의 전통적인 이해를 뒤집습니다. TOI-561 b로 명명된 이 '슈퍼지구'는 질량이 지구 질량의 약 2배지만 극한의 환경을 갖고 있어 전 지구적 마그마 바다로 완전히 뒤덮인 것으로 추정된다.

카네기 과학 연구소가 주도하고 NASA의 제임스 웹 우주 망원경(JWST)의 관측을 기반으로 한 이 연구는 암석으로 이루어진 외계 행성에 대기가 존재한다는 현재까지의 가장 강력한 증거 중 하나입니다. TOI-561 b는 태양보다 약간 작고 온도가 낮은 별을 공전합니다. 궤도 거리는 수성과 태양 사이의 거리의 약 40분의 1에 불과합니다. 따라서 공전 주기는 약 10.56시간에 불과하며 한쪽은 항상 별의 강한 복사에 노출된다.

기존 이론에 따르면, 이러한 크기와 극심한 열을 지닌 행성은 형성 후 빠르게 대기를 잃어 "맨바위"가 되어야 합니다. 그러나 웹 망원경의 적외선 데이터를 분석한 결과 연구팀은 이 행성이 상당히 두꺼운 대기로 둘러싸여 있다는 사실을 발견했는데, 이는 초단주기 행성에 대한 이전 기대와 분명히 일치하지 않습니다. 이 잔존 대기는 또한 TOI-561 b의 비정상적으로 낮은 평균 밀도를 설명하는 데 도움이 됩니다. 이는 비록 암석 행성이지만 전체 밀도는 지구와 같은 구성을 기반으로 예상한 것보다 작습니다.

프로젝트 리더 중 한 명이자 Carnegie Science의 천문학자인 Johanna Teske는 팀이 관측 계획을 설계할 때 또 다른 가능한 설명을 고려했다고 지적했습니다. 행성은 더 작은 철심과 저밀도 암석으로 구성된 맨틀을 가지고 있어 전체 밀도가 감소할 수 있습니다. 그녀는 TOI-561 b의 모항성이 은하수의 두꺼운 원반 영역에 속하고 태양 나이의 약 두 배이며 철분이 부족하다는 점에서도 특별하다고 강조했습니다. 이는 행성이 형성될 당시의 화학적 환경이 태양계의 화학적 환경과 전혀 다르다는 것을 의미하며, 이는 초기 우주에서 형성된 행성의 전형적인 표본을 나타낼 수도 있다.

그러나 변칙 현상의 내부 구성 요소만으로는 관찰된 모든 현상을 설명하기에는 충분하지 않습니다. 따라서 연구팀은 행성의 두꺼운 대기에 초점을 맞췄고, 이 대기가 행성을 "더 크게" 보이게 만들어 계산된 평균 밀도를 낮추는 것이라고 추측했습니다. 이 가설을 테스트하기 위해 천문학자들은 Webb 망원경의 근적외선 분광계(NIRSpec)를 사용하여 행성이 "별 뒤로 이동할 때" 시스템의 밝기 변화를 측정함으로써 행성의 낮 부분의 온도를 추론했습니다.

이론에 따르면 TOI-561 b가 대기가 없는 "맨 바위"이고 밤쪽으로 열을 전달할 수 없다면 낮 온도는 화씨 약 4900도(섭씨 약 2700도)에 가까워야 합니다. 실제 관측에 따르면 행성의 낮 부분의 온도는 화씨 약 3,200도(섭씨 약 1,800도)로 여전히 매우 뜨겁지만 대기가 없는 모델에서 예측한 것보다 훨씬 낮습니다. 연구팀은 여러 시나리오를 비교했다. 마그마 바다 자체의 열 대류는 어느 정도 열을 전달할 수 있지만, 대기가 없으면 별에서 멀어지는 쪽이 냉각되고 굳어 밤 쪽으로 열 전달이 제한될 가능성이 크다.

또 다른 가설은 행성 표면의 마그마 바다 위에 극도로 얇은 암석 증기층이 있다는 것입니다. 그러나 모델은 그러한 "증기 덮개"만으로는 그렇게 중요한 냉각 효과를 생성하기에 충분하지 않다는 것을 보여줍니다. 이번 연구에 참여한 영국 버밍엄대학교 안잘리 피에테(Anjali Piette) 교수는 이러한 관측을 완전히 설명하기 위해서는 휘발성 물질이 풍부한 두꺼운 대기가 필요하다고 지적했다. 강한 바람은 낮 쪽에서 밤 쪽으로 열을 운반하는 반면, 수증기와 같은 가스는 근적외선 복사의 일부를 흡수하여 망원경이 받는 광속을 감소시켜 행성을 "더 시원하게" 보이게 만듭니다. 밝은 규산염 구름은 별빛을 반사함으로써 대기를 더욱 냉각시킬 수도 있다고 그녀는 덧붙였습니다.

대기의 존재를 확인하는 동안 또 다른 핵심 질문이 제기됩니다. 이렇게 작고 뜨거운 행성이 어떻게 강렬한 복사 아래서 두꺼운 대기를 유지할 수 있습니까? 연구자들은 일부 가스가 우주로 계속 빠져 나가야 하지만 탈출 속도는 원래 예상했던 것보다 훨씬 낮을 수 있다고 생각합니다. 네덜란드 흐로닝언 대학의 팀 리히텐베르그(Tim Lichtenberg)는 행성 표면의 마그마 바다와 대기 사이에 역동적인 균형이 있다고 제안했습니다. 한편으로는 가스가 계속해서 행성 내부에서 빠져나와 대기를 보충하고, 다른 한편으로는 마그마가 가스의 일부를 별 내부로 다시 "흡입"합니다.

관찰과 모델 추론으로 판단할 때, 이러한 상태를 유지하려면 TOI-561 b는 지구보다 휘발성 물질이 훨씬 풍부해야 하며, "젖은 용암 덩어리"라고 생생하게 불릴 수 있습니다. Teske는 새로운 데이터 세트가 최초의 명확한 증거를 제공할 뿐만 아니라 특히 초단기 암석 행성의 형성과 장기적인 진화에 대해 답변보다 더 많은 새로운 질문을 제기한다고 말했습니다.

이 결과는 웹 망원경 일반 관측자 프로젝트 3860의 첫 번째 과학적 결과물입니다. 이 프로젝트는 37시간 이상 TOI-561 시스템을 계속해서 관찰했으며, 그 동안 행성은 거의 4번의 회전을 완료했습니다. 팀은 현재 행성의 주변 온도 분포를 매핑하고 대기 구성을 보다 정확하게 제한하기 위해 전체 데이터를 추가로 분석하고 있습니다. 카네기 지구 및 행성 연구소(Carnegie Earth and Planetary Laboratory)의 연구원들은 Webb 프로젝트가 구상된 이후부터 깊이 관여해 왔으며 현재는 외계 행성 대기 및 은하 형성과 같은 다양한 최첨단 방향을 포함하는 망원경의 처음 4개 관측 주기에서 10개 이상의 주제를 주도했습니다.

카네기 지구 및 행성 연구소 소장인 마이클 월터(Michael Walter)는 이러한 혁신은 행성 진화 및 역학 분야에서 기관의 장기적인 축적과 매우 일치하며 외계 행성의 특성에 대한 인류의 전반적인 이해를 향상시킬 것이라고 말했습니다. 그는 더 많은 관찰 시간이 승인되면 카네기 팀이 이끄는 새로운 Webb 과학적 발견이 내년에 나타날 것이라고 예측합니다. 온도 측정, 대기 모델 및 행성 내부 구조 추론에 대한 기술적 세부 사항과 결론을 자세히 설명하는 "초고온 초지구 TOI-561 b의 두꺼운 휘발성 대기"라는 제목의 관련 연구 논문이 "Asphysics Letters"에 게재되었습니다.

/ScitechDaily에서 편집됨