근처의 "슈퍼지구"는 과학자들에게 지구와 거의 닮지 않은 먼 암석 행성의 노출된 표면을 직접 들여다볼 수 있는 드문 기회를 제공하고 있습니다. LHS 3844 b라는 이름의 이 행성은 뜨겁고 어둡고 대기가 없는 세계로, 표면 구성과 지질 조건이 지구와 같은 행성보다 달이나 수성에 더 가까운 것으로 최근 관측 결과 나타났다.

과학 연구팀은 NASA의 제임스 웹 우주 망원경(JWST)에 있는 중적외선 장비인 MIRI를 사용하여 행성의 태양면에 대한 상세한 관측을 수행했습니다. 이 연구는 독일 하이델베르그에 있는 막스 플랑크 천문학 연구소(MPIA)에서 박사 학위를 취득한 Sebastian Ziba가 주도했으며 MPIA 이사이자 프로젝트의 주요 조사관인 Laura Kreidberg가 참여했습니다. 외계 행성 대기에 대한 이전의 초점과 비교하여, 이 연구는 태양계 밖의 암석 행성의 표면 구성과 진화 역사를 직접적으로 제한하려는 "외계 행성 지질학"에 대한 연구 영역을 더욱 발전시켰습니다. 관련 결과는 Nature Astronomy 저널에 게재되었습니다.

LHS 3844 b는 지구보다 반경이 약 30% 더 큰 암석 행성입니다. 이 행성은 매우 가까운 거리에서 차가운 적색 왜성을 공전하고 있으며, 공전 주기는 약 11시간에 불과하며, 행성과 모항성 사이의 거리는 항성 직경의 약 3배에 불과합니다. 이렇게 빡빡한 궤도로 인해 행성은 조석 고정되어 한쪽은 항상 별을 향해 타 오르고 다른 쪽은 영구적으로 어둠 속에 있습니다. 태양 표면은 약 1,000켈빈(섭씨 약 725도)만큼 뜨겁고, 전체 행성계는 지구에서 약 48.5광년 떨어져 있습니다.

웹 망원경의 탁월한 감도 덕분에 연구자들은 암석으로 이루어진 행성 표면에서 나오는 열 복사의 밝기를 직접 측정할 수 있었습니다. "우리가 본 것은 대기가 전혀 감지되지 않는 어둡고 뜨겁고 황량한 암석이었습니다."라고 Kreidberg는 관측에 대해 말했습니다. 망원경은 행성의 원형 표면을 직접 확인할 수 없기 때문에 연구원들은 궤도 변화에 따라 전체 시스템의 전체 밝기의 약한 변동을 추적하여 행성의 태양 표면에서 방출되는 적외선 복사를 반전시키는 "2차 일식" 및 "위상 곡선" 기술을 사용했습니다.

MIRI는 5-12 미크론 대역의 시스템을 관찰하고 이 대역을 더 미세한 하위 대역으로 나누어 행성 표면 복사의 중적외선 스펙트럼 분포를 얻습니다. 또한 팀은 스펙트럼 적합도의 견고성을 향상시키기 위해 스피처 우주 망원경의 이전 데이터를 분석에 통합했습니다. 연구자들은 다양한 파장의 밝기를 이론적 모델과 비교함으로써 지구의 화강암 지각부터 달 모양의 현무암 및 맨틀 유래 용암에 이르기까지 다양한 표면 물질 조합을 조사할 수 있었습니다.

계산은 지구의 대륙 지각과 유사한 표면 시나리오를 명시적으로 배제합니다. 지구의 규산염이 풍부한 화강암 지각은 일반적으로 긴 판 구조론과 마그마 재활용을 통해 형성되며 종종 액체 물의 참여가 필요합니다. 용융과 분화를 반복하면 가벼운 미네랄이 점차 표면으로 떠오릅니다. Ziba는 LHS 3844 b의 스펙트럼에는 규산염이 풍부한 화강암 지각의 흔적이 전혀 보이지 않는다는 점에 주목했습니다. 이는 지구 스타일의 판 구조가 행성에서 전혀 발생하지 않았거나 오랫동안 기능을 멈췄음을 의미합니다. 이는 또한 행성의 내부 수분 함량이 극도로 낮다는 것을 의미하며, 이는 관습적인 의미에서 "지구와 유사한 행성"과 본질적으로 다릅니다.

대신, 관측은 "현무암이 지배하는" 표면 시나리오를 뒷받침합니다. 데이터와 가장 일치하는 모델은 맨틀 유래 마그마가 굳어 형성된 넓은 면적의 현무암으로, 지구의 광대한 현무암 평야나 달의 '마리아'와 유사하다. 이 암석은 일반적으로 마그네슘과 철이 풍부하고 감람석과 같은 다양한 철-마그네슘 규산염 광물을 함유하고 있습니다. 적합성은 더 거친 암석이나 자갈층도 관측치와 잘 일치하는 반면 미세 먼지로만 구성된 표면은 현재 관측치와 일치하기에는 너무 밝다는 것을 보여주었습니다.

대기 장벽이 없기 때문에 LHS 3844 b의 표면은 모별의 방사선과 유성체의 폭격에 완전히 노출되어 오랫동안 소위 "우주 풍화"를 겪습니다. 이러한 과정은 단단한 암석을 달의 표토와 유사한 작은 입자로 점차적으로 분해하고 표면을 철과 탄소로 풍부하게 하여 물질을 더 어둡게 만들고 흡열성을 높입니다. Ziba는 행성 표면의 전반적인 광학 및 적외선 특성이 관측과 더 일치하게 만드는 것이 풍화 된 암흑 토석이라고 지적했습니다.

이용 가능한 데이터를 기반으로 팀은 표면 진화에 대한 두 가지 가능한 시나리오를 제안했습니다. 첫 번째는 행성 표면이 상대적으로 "젊은" 현무암으로 광범위하게 덮여 있다는 점으로, 최근 또는 진행 중인 화산 활동으로 인해 새로운 녹은 암석이 표면으로 전달되었음을 시사합니다. 두 번째 유형은 장기적인 우주 풍화 작용이 지배하는 "오래된" 표면입니다. 이전의 마그마 평야는 수억 년에 걸쳐 조사와 충격에 의해 반복적으로 처리되었으며 달이나 수성과 같은 두꺼운 어두운 풍화 층으로 덮여 있습니다. 스펙트럼 형태로 판단하면, 후자의 "장기 침묵" 장면은 관찰과 더 일치합니다.

두 시나리오를 구별하는 주요 지표는 지구상에서 진행 중인 화산 활동의 존재입니다. 지질학적으로 활동적인 많은 천체에서 화산은 다량의 가스를 방출하는데, 그 중 이산화황(SO2)이 전형적인 추적자 중 하나입니다. LHS 3844 b가 현재 강력한 화산 활동을 보인다면 MIRI는 이론적으로 중적외선 스펙트럼에서 SO2의 특징적인 흡수 밴드를 식별할 수 있어야 합니다. 그러나 관측에서는 이러한 특징이 발견되지 않아 최근 화산 활동의 가능성이 크게 줄어들었지만, 대신 표면이 오랫동안 "냉각되고 휴면 상태"였기 때문에 외관상 수성에 더 가깝다는 설명을 뒷받침합니다.

연구팀은 이 행성의 실제 모습을 더욱 명확하게 하기 위해 JWST의 후속 관측을 더 계획하고 있습니다. 주요 작업 중 하나는 빛이 산란되는 방식을 사용하여 거친 암석 표면과 상대적으로 매끄럽거나 느슨한 물질을 구별하여 다양한 시야각에서 행성 표면의 열 복사 및 반사 특성을 측정하는 것입니다. 이러한 유형의 기술은 태양계의 소행성을 연구하는 데 성공했으며 현재 외계 행성 분야에 이식되어 과학자들이 LHS 3844 b의 표면층이 전체 암석인지, 용암 평야인지, 아니면 두껍게 쌓인 가루와 잔해인지를 결정할 수 있을 것으로 기대됩니다.

Kreidberg는 팀이 동일한 방법을 사용하면 LHS 3844 b의 지각 특성을 밝힐 뿐만 아니라 미래에 더 많은 암석 외계 행성에 대한 "표면 수준" 정보를 제공할 것이라고 확신한다고 말했습니다. 여기에 사용된 JWST 관측은 "뜨거운 암석 외계 행성 LHS 3844 b에서 화산 및 지구 역학의 징후 검색"이라는 제목의 일반 관측 프로젝트 1846에서 가져온 것입니다. 이 프로젝트에서 그녀는 수석 과학자로, Ren Ru는 공동 리더로 활동하고 있습니다. 본 연구에 참여하는 기관은 미국, 독일, 중국 및 기타 국가에 있으며 하버드-스미스소니언 천체물리학 센터, 캘리포니아 공과대학, 제트추진연구소, 북경대학교, 펜실베니아 주립대학교, NASA 고다드 우주비행센터 및 유럽의 많은 대학 및 연구기관이 있습니다.

이 관찰을 담당하는 MIRI 장비는 벨기에, 덴마크, 프랑스, ​​​​독일, 아일랜드, 네덜란드, 스페인, 스웨덴, 스위스 및 영국을 포함한 많은 유럽 국가의 공동 팀에 의해 개발되었습니다. 해당 작업은 각국의 국가과학연구기관의 자금 지원을 받아 진행됐다. 독일의 주요 자금 제공자는 막스 플랑크 협회(Max Planck Society)와 독일 항공우주 센터(German Aerospace Center)이며, 참여 단위로는 하이델베르그의 막스 플랑크 천문학 연구소(Max Planck Institute for Astronomy), 쾰른 대학교 및 Hensold Company가 있습니다. 오늘날 가장 중요한 우주 천문학 시설 중 하나인 제임스 웹 우주 망원경은 NASA가 주도하고 유럽 우주국과 캐나다 우주국이 참여하며 초기 은하 형성, 별과 행성 탄생, 외계 행성의 대기와 표면 특성 분야에 새로운 창을 여는 데 전념하고 있습니다. 이에 앞서 스피처 우주망원경은 적외선 관측을 통해 외계 행성 연구의 기반을 마련했으며, 관련 프로젝트는 NASA를 대신해 캘리포니아 공과대학 제트추진연구소에서 운영됐다.