천문학자들은 제임스 웹 우주 망원경(JWST)을 사용하여 "금지된 행성"으로 알려진 거대한 외계 행성인 TOI-5205 b에 대한 보다 심층적인 관찰을 수행했으며, 대기 중 중원소 함량이 궤도를 도는 모항성보다 훨씬 낮고 비정상적으로 낮다는 사실을 발견했습니다. 이번 발견은 행성 형성과 진화에 관한 전통적인 이론에 직접적으로 도전하고 있습니다.


관련 연구는 NASA 고다드 우주 비행 센터의 Caleb Cañas가 이끌고 카네기 과학 연구소의 Shubham Kanodia와 다국적 연구팀이 참여한 The Astronomical Journal에 게재되었습니다.

TOI-5205 b는 목성과 크기가 비슷하지만 모항성은 훨씬 작은 적색 왜성입니다. 항성 반경은 목성의 약 4배이고 질량은 태양의 약 40%입니다. 행성이 지구의 시선에서 별 앞을 지나갈 때, 별의 광도의 약 6%를 차단합니다. 과학자들은 분광계를 사용하여 이동 중에 다양한 파장의 빛의 변화를 분석함으로써 행성 대기의 화학적 구성을 반전시키고 형성 역사를 추론합니다.

주류 이론에 따르면, 행성은 어린 별 주위의 회전하는 가스와 먼지 원반에서 태어나고, 거대 행성은 일반적으로 물질이 풍부한 원반에서 진화합니다. 그러나 TOI-5205와 같이 더 작고 차가운 별 근처에는 거대하고 근접 궤도를 도는 행성이 있습니다. 이러한 행성-별 비율과 궤도 구성은 기존 모델로는 합리적으로 설명하기 어렵기 때문에 '금지된 행성'이라고 불린다.

이러한 "변칙적인" 행성을 체계적으로 연구하기 위해 탬파 대학의 Kanodia, Cañas 및 Jessica Libby-Roberts는 JWST의 두 번째 주기에서 가장 큰 외계 행성 관측 프로젝트 중 하나인 "적색 왜성과 일곱 거인" 프로젝트의 구현을 주도하고 있습니다. 특히 GEMS(거성 외행성 및 M 왜성계)로 통칭되는 M형 왜성을 공전하는 이러한 유형의 거대 행성에 초점을 맞추고 있습니다.

TOI-5205 b는 원래 NASA의 TESS(Transiting Exoplanet Survey Satellite)에 의해 발견되어 후보로 표시되었습니다. Kanodia는 2023년 후속 관측을 통해 행성의 존재를 확인했으며 현재 JWST를 사용하여 대기에 대한 최초의 상세한 특성을 생성한 팀의 핵심 구성원 중 한 명입니다.

세 가지 통과 사건에 대한 데이터 분석을 통해 팀은 TOI-5205 b의 대기에서 수소에 비해 중원소의 풍부함이 목성보다 낮을 뿐만 아니라 모항성의 것보다 훨씬 낮다는 것을 발견했습니다. 이는 사람들이 일반적으로 거대 행성에서 기대하는 것과는 반대입니다. 일반적으로 거대 행성은 형성되는 동안 더 많은 무거운 원소가 풍부해지기 때문에 전반적인 "금속성"이 모항성보다 더 높은 경향이 있습니다. 또한 관측을 통해 행성 대기에 메탄(CH₄)과 황화수소(H2S)가 존재한다는 사실이 감지되어 화학 구조에 대한 더 많은 단서를 제공했습니다.

대기에서 관찰된 "금속 부족" 현상을 이해하기 위해 취리히 대학의 Simon Muller와 Ravit Helled는 행성의 내부 구조 모델을 사용하여 TOI-5205 b의 전체 구성을 추론했습니다. 결과는 행성의 전반적인 "금속성"이 통과 방법으로 측정된 대기 구성보다 약 100배 더 높을 가능성이 있음을 나타냅니다. 간단히 말해서, 행성 내부에는 무거운 원소가 풍부하지만 이러한 무거운 원소는 대기에 효과적으로 혼합되지 않습니다.

논문의 공동 저자인 Kanodia는 모델에서 예상되는 전체 금속 함량과 관측된 대기 금속 함량 사이에 명확한 차이가 있다고 설명했습니다. 이는 행성 형성 과정에서 무거운 원소가 안쪽으로 이동하는 경향이 있고 깊은 내부에 "고정"되어 외부 대기와의 물질 혼합 효율이 낮다는 것을 의미합니다. 연구팀은 다양한 증거를 토대로 TOI-5205 b가 '탄소가 풍부하고 산소가 부족한' 비정상적인 대기 환경을 갖고 있다고 믿고 있다.

데이터 처리 과정에서 연구자들은 모항성의 흑점의 영향도 구체적으로 포함시켰습니다. 이 별 표면의 더 어두운 영역은 관찰된 스펙트럼 특성을 미묘한 방식으로 변경합니다. 즉, 잠재적인 대기 신호를 가리면서 특정 밴드의 상대적 강도를 향상시킵니다. 수정하지 않으면 대기 구성 결정이 편향되기 쉽습니다. Wallack과 Kanodia는 현재 새로운 JWST 관측에서 이 보정 방법을 추가로 검증하고 있으며, 활동성이 높은 별 주위의 행성 대기에 대한 향후 연구를 위해 보다 신뢰할 수 있는 관측 및 분석 프레임워크를 제공하기를 희망하고 있습니다.

이 연구는 GEMS 조사 프로그램의 일부입니다. 목표는 M형 왜성 주위를 공전하는 통과 거대 행성을 체계적으로 관찰하고 이들의 형성 과정, 내부 구조 및 대기 특성을 규명하는 것입니다. 참여 팀에는 카네기 과학 연구소의 천문학자인 Peter Gao, Johanna Teske 및 Nicole Wallack뿐만 아니라 현재 교수진이자 전 카네기 박사후 연구원인 Anjali Piette도 포함되어 있습니다.