미국 항공우주국(NASA)의 연구원들은 제임스 웹 우주 망원경(JWST)을 사용하여 전례 없는 "이상한 행성"인 PSR J2322-2650b를 발견했습니다. 그것은 펄서의 궤도를 돌고 있을 뿐만 아니라 거의 "순수한 탄소" 대기와 내부적으로 다이아몬드로 결정화될 수 있는 물질 구조를 가지고 있습니다. "완전히 예상치 못한 행성 유형"이라고 설명됩니다.

제임스 웹 망원경은 현재 세계에서 가장 강력한 적외선 우주 망원경입니다. NASA, 유럽 우주국, 캐나다 우주국이 공동으로 개발했습니다. 주로 적외선 대역을 관찰하여 더 차가운 행성, 먼지가 확산된 지역 및 극도로 먼 은하를 연구합니다. 이러한 표적은 일반 광학 망원경으로는 직접 볼 수 없는 경우가 많습니다. 이 관찰에서 Webb 망원경은 PSR J2322-2650b라는 외계 행성에 고정되었습니다. PSR J2322-2650b는 목성과 질량은 거의 같지만 알려진 행성계에서는 극히 드문 펄서 주위를 공전합니다.

소위 펄서는 빠르게 회전하는 중성자별의 일종입니다. 거대한 별이 초신성 폭발을 한 뒤 남겨진 밀도 높은 핵이다. 질량은 태양보다 클 수 있지만 도시 크기에 불과합니다. 펄서는 자극 방향을 따라 전자기 방사선 빔을 방출합니다. 회전하면서 이러한 방사선 빔은 등대처럼 하늘을 가로질러 휩쓸며 관측 시 주기적인 펄스 신호를 보여줍니다. 현재, 천문학계에 알려진 소수의 행성만이 궤도를 도는 펄서로 발견되었으며, PSR J2322-2650b는 이전에 기록된 유사한 표적과 구성 및 구조가 완전히 다릅니다.

관측 결과에 따르면 행성의 대기는 대부분의 외계 행성에서 흔히 볼 수 있는 물, 메탄 및 기타 분자가 아닌 주로 헬륨과 탄소로 구성되어 있습니다. 과학 연구팀은 대기 스펙트럼에서 분자 탄소, 특히 C2와 C₃를 발견했습니다. 직접 결합된 탄소 원자로 구성된 이러한 유형의 분자는 행성 대기에서는 극히 드뭅니다. 일반적으로 탄소는 산소나 수소와 결합하여 이산화탄소나 메탄과 같은 화합물을 형성하는 것을 선호하기 때문입니다. 연구원들은 이 행성의 대기 탄소 대 산소 비율이 100을 초과하고, 탄소 대 질소 비율이 10,000보다 훨씬 높아 대부분의 알려진 외계 행성을 훨씬 능가한다고 지적했습니다. 이는 이 행성의 대기가 거의 "탄소가 풍부한 환경"으로 간주될 수 있음을 의미합니다.

이번 연구에 참여한 카네기 지구행성연구소(Carnegie Earth and Planetary Laboratory) 과학자 피터 가오(Peter Gao)는 연구팀이 처음으로 데이터를 봤을 때 “눈을 믿을 수가 없었다”며 “이것은 우리가 전혀 예상했던 행성 대기가 아니다”고 한탄했다. 시카고 대학의 마이클 장(Michael Zhang)은 행성이 공전하는 펄서는 그 자체로 매우 특별하다고 지적했다. "질량은 태양의 질량에 가깝지만 크기는 도시 정도"이며, PSR J2322-2650b의 대기 유형은 "이전에는 볼 수 없었던 새로운 범주"라고 지적했다.

극한의 온도와 압력 조건에서 행성은 훨씬 더 기괴한 모습을 보입니다. 연구에 따르면 낮과 밤의 온도차는 매우 큽니다. 밤 쪽 온도는 화씨 약 1,200도(섭씨 약 650도)이고, 낮 쪽 온도는 화씨 약 3,700도(섭씨 약 2,000도)에 달합니다. 그러한 환경에서는 대기 중에 그을음 같은 탄소 먼지 구름이 떠 있습니다. 연구자들은 행성 내부의 엄청난 압력으로 인해 이러한 탄소 먼지 구름이 점차 다이아몬드와 같은 결정 구조로 변할 수 있으며, 탄소의 결정화 과정이 행성 깊은 곳에서 일어나고 있을 수 있다고 추측합니다.

스탠포드 대학의 로저 로마니(Roger Romani)는 동반성이 냉각되면서 그 안의 탄소-산소 혼합물이 결정화되기 시작하고 순수한 탄소 결정이 상층으로 "떠서" 관측에서 볼 수 있는 대기 특징의 원천인 헬륨과 혼합된다고 설명했습니다. 그는 또한 이 과정에서 산소와 질소가 배제되는 이유를 설명하는 것은 여전히 ​​엄청난 수수께끼라고 지적했습니다. "그들을 '차단'할 수 있는 몇 가지 핵심 메커니즘이 있어야 합니다. 이는 아직 해결되지 않은 문제입니다."

트랙 구조의 관점에서 볼 때 이 시스템은 "극단적인 레이블"도 가지고 있습니다. PSR J2322-2650b는 펄서에서 약 100만 마일 떨어져 있습니다. 이에 비해 지구와 태양 사이의 평균 거리는 약 1억 마일로 그 거리의 100배입니다. 이처럼 빡빡한 궤도에서 행성은 한 번의 회전(연도)을 완료하는 데 약 7.8시간밖에 걸리지 않으며 이는 지구의 1년보다 훨씬 짧습니다.

강한 중력 조수 효과로 인해 행성은 대략적인 구형이 아닌 레몬과 같은 모양으로 "당겨집니다". 중력은 질량이 있는 물체가 서로 끌어당기게 만드는 기본적인 힘입니다. 밀도가 높은 천체가 동반성과 매우 가깝고 질량 차이가 크면 조석력으로 인해 동반성 내부에 상당한 응력 차이가 생겨 전체적인 변형이 발생합니다. 이 현상은 PSR J2322-2650b에서 특히 분명합니다.

과학 연구팀은 이 시스템이 천문학에서 소위 '블랙 위도우' 시스템으로 불리는 것과 어느 정도 관련이 있을 수 있다고 믿고 있습니다. "블랙 위도우" 시스템은 일반적으로 펄서와 가까운 동반성으로 구성됩니다. 펄서는 강렬한 방사선과 고에너지 입자 흐름을 통해 지속적으로 동반성 물질을 "잠식"하고 결국 밀도가 높은 잔여 코어만 남게 됩니다. 하지만 이번 발견에서 PSR J2322-2650b는 목성질량의 13배보다 낮은 질량을 갖고 있어 공식적으로는 항성잔해라는 의미의 '동반자'가 아닌 외계행성으로 분류됐다.

형성 메커니즘 측면에서도 기존 이론 모델을 이 행성에 적용하는 것도 어렵다. 장 교수는 현재 관찰된 구성으로 볼 때 이 천체는 대기의 화학적 구성이 일반 행성과 완전히 다르기 때문에 '보통 행성'처럼 어린 별 주변의 원시행성 원반 가스와 먼지가 점진적으로 응집되어 형성되지 않는 것이 분명하다고 지적했습니다. 동시에 이를 "블랙 위도우" 시스템에서 벗겨진 별의 남은 핵으로 취급하는 데 문제가 있습니다. 기존 핵물리학 과정은 거의 "순수한 탄소" 물체의 형성을 지원하지 않기 때문입니다. 이는 그 기원에 대한 우리의 이해가 아직 매우 예비적이라는 것을 의미합니다.

이 발견은 웹 망원경의 적외선 대역에 대한 예리한 시각 덕분에 가능해졌습니다. 적외선은 우주의 먼지 구름을 관통하여 천문학자들이 더 차갑고 어두운 표적을 관찰하는 데 도움이 될 수 있습니다. 펄서 자체는 주로 감마선과 고에너지 입자를 방출합니다. 이러한 방사선은 Webb의 작업 대역 외부에 있으므로 행성 대기의 적외선 분광 측정을 방해하지 않습니다.

다양한 파장에서 행성의 스펙트럼 지문을 분석함으로써 과학자들은 대기에 어떤 원자와 분자가 존재하는지 추론하고 온도, 화학적 구성, 압력 구조와 같은 주요 매개변수를 추가로 추정할 수 있습니다. 스탠포드 대학의 마야 벨레즈네이(Maya Beleznay)는 이 시스템에서 연구자들은 "펄서에 의해 조명된 행성의 스펙트럼만 볼 수 있을 뿐이고 펄서 자체를 직접 볼 수 있는 경우는 거의 없다"고 지적했습니다. 이는 깨끗하고 명확한 스펙트럼 신호를 얻을 수 있는 드문 조건을 제공하여 외계 행성 연구에서 이 시스템에 고유한 이점을 제공합니다.

확인된 외계 행성의 총 수는 약 6,000개입니다. 이 대규모 샘플 중에서 PSR J2322-2650b는 "뜨거운 목성"의 궤도 특성과 "펄서 동반자"의 특성 사이의 독특한 조합을 형성하는 유일한 표적입니다. 탄소가 풍부한 대기, 극도의 화학적 조성, 중력에 의해 늘어나는 레몬 모양, 비정상적으로 조밀한 동적 구조가 함께 전례 없는 행성 표본을 구성하며, 이는 극한의 우주 환경에서 행성이 어떻게 형성되고, 진화하고, 심지어 생존하는 지에 대한 새로운 질문을 제기합니다. 또한 미래 행성과학과 고에너지 천체물리학 연구를 위한 새로운 관측 방향을 열어줍니다.