JWST, 외계 행성 대기에서 석영 감지 - 최초의 특정 구름 종이 확인됨

제임스 웹 우주 망원경(James Webb Space Telescope)은 뜨거운 가스를 지닌 거대 외계 행성 WASP-17 b의 투과 스펙트럼을 포착해 외계 행성의 구름에 석영(SiO2)이 존재한다는 최초의 증거를 밝혀냈습니다. 사실, 이 획기적인 발견은 통과하는 외계 행성에서 특정 구름 종을 최초로 식별한 것입니다.

“우리는 매우 기뻤습니다!” 영국 브리스톨 대학의 연구원이자 새로운 연구의 첫 번째 저자인 David Grant는 말했습니다. "우리는 허블 관측을 통해 WASP-17 b의 대기에 에어로졸(구름이나 연무를 구성하는 작은 입자)이 있다는 것을 알고 있었지만 그것이 석영으로 만들어질 것이라고는 예상하지 못했습니다."

푹신하고 푹신한 뜨거운 외계 행성

WASP-17 b는 지구에서 약 1,000광년(310파섹) 떨어져 있습니다. 밀도가 매우 낮은 크고 뜨거운 목성형 행성입니다. 사실, 그것은 지금까지 발견된 "가장 통통한 행성" 중 하나입니다. 하지만 우리는 그것을 볼 수 없습니다. 그것이 별에서 나오는 빛의 일부를 차단하기 때문에 우리는 그것이 거기에 있다는 것을 알 뿐입니다. 이것이 바로 이 행성을 "이동하는" 외계 행성이라고 부르는 이유입니다. 왜냐하면 우리가 그것에 대해 알고 있는 것은 그것이 별 앞으로 언제 이동하는지 알기 때문입니다.

하지만 제임스 웹 망원경(James Webb Telescope)을 이용한 새로운 연구 덕분에 우리는 대기에 어떤 영향을 미치는지 알고 있습니다.

천문학자들은 행성이 별 앞을 지나갈 때 28개의 서로 다른 파장에 걸쳐 밝기의 변화를 측정했습니다. 과학자들은 별에서 방출되는 원래 빛과 행성의 대기를 통과하는 빛의 차이를 계산함으로써 어떤 파장이 행성의 대기에 흡수되는지 알아낼 수 있었고, 이를 통해 별의 구성에 대한 단서를 제공할 수 있었습니다.

데이터는 거의 10시간에 걸쳐 수집되었으며 행성이 호스트 별을 통과하기 전, 도중 및 후에 1275회 이상의 측정이 포함되었습니다. 각 파장에 대해 행성의 대기에 의해 차단되는 빛의 양(위 차트의 흰색 원)은 별에서 방출되는 빛에서 대기를 통과하는 빛을 빼서 계산되었습니다. 서로 다른 분자는 서로 다른 파장에 해당하는데, 석영의 파장에서는 놀라운 '범프'가 발생했습니다.

즉, 석영 결정의 존재는 관찰된 데이터를 완벽하게 설명할 수 있습니다.

흔하지 않은 곳에 있는 흔한 광물

석영은 지구상에서 흔한 광물이며 아마도 다른 암석 행성에도 존재할 것입니다. 하지만 그것은 대기가 아닌 지구의 지각에 존재합니다. 연구자들이 전혀 기대했던 것이 아닙니다. 공동 저자이자 브리스톨 대학교 천체 물리학 부교수인 Hannah Wakeford 박사는 다음과 같이 말했습니다.

"우리는 규산염 마그네슘을 볼 것으로 완전히 기대했습니다. 그러나 대신에 우리가 보고 있는 것은 그 구성 요소일 가능성이 높습니다. 즉, 더 차가운 외계 행성과 갈색 왜성에서 감지하는 더 큰 규산염 입자를 형성하는 데 필요한 작은 '씨앗' 입자일 것입니다."

WASP-17 b의 석영 결정체는 아마도 지구상의 보석 상점에서 볼 수 있는 것과 모양이 비슷할 것입니다(뾰족한 육각형 프리즘). 그러나 훨씬 더 작습니다. 각각의 폭은 약 10나노미터, 즉 사람 머리카락 굵기의 10,000분의 1 정도입니다.

대기 결정에 관한 또 다른 흥미로운 점이 있습니다. 석영은 규소와 산소로 이루어진 광물이다. 그러나 이것이 유일한 규산염 광물은 아닙니다. 실제로 천문학자들이 외계 행성에서 규산염 결정의 흔적을 발견하는 경우, 이는 일반적으로 순수한 석영이 아닌 다른 규산염 광물(감람석 및 휘석)입니다. 연구자들은 행성의 특성이 이를 설명할 수 있다고 의심합니다.

“WASP-17 b는 섭씨 1,500도(2,700°F) 정도로 극도로 뜨겁습니다. 대기에서 이들이 형성되는 압력은 지구 표면에서 경험하는 압력의 약 1/1000에 불과합니다.”라고 Grant는 설명했습니다. "이러한 조건에서는 액체상을 먼저 거치지 않고 가스에서 직접 고체 결정이 형성될 수 있습니다."

하지만 WASP-17 b를 독특하게 만드는 것은 수정만이 아닙니다.

이상하고 지옥같은 행성

WASP-17 b는 몇 가지 이유로 이상합니다. "뜨거운 목성"이라는 것은 드문 일이 아니지만 회전하는 방식 때문에 드문 일입니다. 별의 궤도와 반대 방향으로 회전합니다. 2009년에 발견되었을 때, 이 행성은 그렇게 하는 것으로 알려진 유일한 행성이었습니다. 사실 이번 발견은 너무도 놀라운 일이어서 기존의 행성 형성 이론에 도전장을 내밀었습니다.

그러나 행성 자체는 조석 고정되어 있습니다. 즉, 지구에서 우리가 달의 한쪽 면만 볼 수 있는 것처럼 행성도 한쪽 면에서만 별을 "본다"는 의미입니다. 이는 한쪽이 다른 쪽보다 훨씬 더 뜨겁다는 것을 의미합니다. 이는 입자를 빠른 속도로 움직일 수 있는 거대한 바람을 생성합니다.

 “구름은 우리 관측이 조사하는 지역인 낮/밤 전환을 따라 존재할 가능성이 높습니다.”라고 Grant가 말했습니다. “바람은 이 작은 유리 입자를 시속 수천 마일의 속도로 움직일 수 있습니다.”

이 연구는 또한 허블 망원경에 대한 고개를 끄덕이는 것입니다. 결정의 화학적 특징은 제임스 웹 우주 망원경에 탑재된 도구 덕분에 가능했지만 허블도 그 역할을 했습니다.

뜨거운 목성 대기에 대한 3차원 관점을 구축하는 데 도움을 주기 위해 설계된 Webb 보장 시간 관측(GTO) 프로그램을 이끌고 있는 공동 저자인 코넬 대학의 Nikole Lewis는 "허블 데이터는 실제로 이러한 입자의 크기를 제한하는 데 중요한 역할을 했습니다."라고 설명했습니다. "우리는 Webb의 데이터만으로 실리카가 있다는 것을 알고 있지만 결정의 크기를 파악하려면 허블의 가시광선 및 근적외선 관측이 필요했습니다."

행성에 정확히 얼마나 많은 석영이 있는지, 그리고 이것이 다른 외계 행성에 무엇을 의미하는지 파악하기는 어렵습니다. 그러나 WASP-17 b 대기에서 석영이 발견된 것은 행성 과학자들에게 단순한 '유레카' 순간이 아니라 전환점입니다. 제임스 웹(James Webb)과 함께 우리는 외계 행성의 대기를 전례 없이 자세하게 탐구할 수 있습니다. 우리의 도구가 더욱 정교해짐에 따라 우주의 복잡성에 대한 우리의 시각도 더욱 정교해집니다.

아직 작동 초기 단계에 있는 제임스 웹 우주 망원경은 이미 우리가 외계 행성에 대해 알고 있는 지식의 한계를 재정의하고 있습니다. 이 연구는 특히 허블과 같은 다른 망원경과 함께 사용할 때 얼마나 많은 것을 성취할 수 있는지를 보여줍니다.

"JWST-TST 꿈:WASP-17b 대기의 석영 구름"이라는 연구는 천체물리학 저널 레터스 저널에 게재되었습니다. .