극도로 뜨거운 해왕성, LTT 9779 b의 신비로운 대기 밝혀져

몬트리올 대학교 트로티에 외계행성 연구소(IREx)의 대학원생 루이-필립 쿨롱브가 이끄는 연구팀은 제임스 웹 우주 망원경(JWST) 관측을 통해 희귀한 '초고온 해왕성' LTT 9779 b의 이국적인 대기 특성을 밝혀냈습니다. 네이처 천문학 저널에 발표된 이번 연구는 이 흥미로운 외계행성의 극단적인 기상 패턴과 대기 특성에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다.

 

 

 

극한 환경 속의 외계 행성

LTT 9779 b는 하루도 채 안 되는 시간 안에 모항성을 공전하며, 낮에는 거의 2,000°C에 달하는 뜨거운 온도를 경험합니다. 이 행성은 지구의 달과 유사하게 조석 고정되어 있어 한쪽 면은 항상 별을 향하고 다른 쪽 면은 영원한 어둠 속에 있습니다. 이러한 극단적인 환경에도 불구하고 쿨롱브 연구팀은 외계행성의 낮 측면, 특히 비교적 온도가 낮은 서반구에서 반사되는 구름을 발견했습니다. 이는 더 뜨거운 동쪽 측면과 현저한 대조를 이룹니다.

 

 

 

제임스 웹 망원경으로 밝혀낸 대기의 비밀

쿨롱브는 "이 행성은 고도로 복사된 세계의 대기에서 구름과 열 수송이 어떻게 상호 작용하는지 이해할 수 있는 독특한 실험실을 제공한다"고 말했습니다. 제임스 웹 우주 망원경을 사용하여 연구팀은 행성의 낮 측면 반사율에서 비대칭성을 발견했습니다. 이들은 열과 구름의 불균등한 분포가 행성 주변으로 열을 운반하는 강력한 동쪽 바람에 의해 발생한다고 주장합니다.

 

 

이론과 관측 사이의 간극을 메우는 연구

이번 발견은 행성 전체의 열 수송 및 외계행성 대기의 구름 형성을 설명하는 모델을 개선하는 데 도움을 주며, 이론과 관측 사이의 간극을 메우는 역할을 합니다. 연구팀은 행성이 방출하는 열과 별에서 반사되는 빛을 모두 분석하여 대기를 상세히 연구했습니다. 더 명확한 그림을 만들기 위해 그들은 궤도의 여러 위치에서 행성을 관측하고 각 단계에서 그 특성을 개별적으로 분석했습니다. 이러한 다각적인 분석을 통해 LTT 9779 b의 대기 특성을 보다 정확하게 파악할 수 있었습니다.

 

 

 

규산염 구름과 물 증기, LTT 9779 b의 대기를 밝히다

연구팀은 행성의 낮 측면 중 비교적 온도가 낮은 서쪽에서 형성되는 규산염 광물과 같은 물질로 이루어진 구름을 발견했습니다. 이러한 반사성 구름은 이 행성이 가시광선 파장에서 매우 밝은 이유, 즉 별빛의 상당 부분을 반사하는 이유를 설명하는 데 도움을 줍니다. 반사된 빛과 열 방출을 결합하여 연구팀은 행성 대기의 상세한 모델을 만들 수 있었습니다. 그들의 발견은 별의 강렬한 열과 행성의 에너지 재분배 능력 사이의 미묘한 균형을 드러냅니다.

 

 

 

외계 행성의 구성과 극한 환경을 밝히는 물 증기

또한, 연구는 대기에서 수증기를 감지하여 행성의 구성과 극한 환경을 지배하는 과정에 대한 중요한 단서를 제공했습니다. 쿨롱브의 연구 고문이자 연구 공동 저자인 몬트리올 대학교 천문학과 교수 비외른 베네케는 "LTT 9779 b의 대기를 상세히 모델링함으로써 우리는 외계 기상 패턴을 주도하는 과정을 밝히기 시작했다"고 말했습니다.

 

 

 

제임스 웹 망원경의 놀라운 관측 능력

이번 연구를 통해 제임스 웹 우주 망원경(JWST)은 LTT 9779 b의 대기를 전례 없는 수준으로 상세하게 연구할 수 있게 해주는 놀라운 능력을 다시 한번 입증했습니다. 캐나다의 장비인 근적외선 이미저 및 슬릿리스 분광기(NIRISS)는 행성을 거의 22시간 동안 관측하는 데 사용되었습니다. 데이터는 두 번의 이차 식 (행성이 별 뒤로 지나갈 때)과 한 번의 일차 통과 (행성이 별 앞을 지나갈 때)를 포함하여 별 주위를 도는 행성의 전체 궤도를 포착했습니다.

 

 

행성의 표면을 매핑하는 다양한 관측 단계

별에 조석 고정된 LTT 9779 b와 같은 외계행성의 경우, 관측되는 빛의 양과 유형은 행성이 회전함에 따라 변하여 표면의 다른 부분을 보여줍니다. 낮 측면은 강렬한 가열로 인해 더 많은 빛을 반사하고 방출하는 반면, 더 차가운 밤 측면은 더 적은 빛을 방출합니다. 다양한 단계에서 스펙트럼을 캡처함으로써 연구자들은 행성 표면 전체의 온도, 구성 및 구름 덮음의 변화를 매핑할 수 있습니다. 이러한 다양한 관측 단계를 통해 LTT 9779 b의 대기와 표면 특성에 대한 보다 포괄적인 그림을 얻을 수 있었습니다.

 

 

 

일관된 분석 결과와 희귀한 행성의 발견

몬트리올 대학교의 전 박사 과정 학생이자 현재 시카고 대학교의 박사후 연구원인 마이클 라디카는 이번 연구의 제2 저자입니다. 그는 올해 초 행성이 통과하는 동안 빛 스펙트럼에 대한 상세한 분석 결과를 발표했습니다. 그는 "두 가지 유형의 분석 모두 행성 대기에 대한 명확하고 일관된 그림을 그려낸다는 점이 놀랍다"고 언급했습니다.

 

 

 

제임스 웹 망원경의 가능성을 보여주는 연구

이 연구는 IREx의 데이비드 라프레니에르 몬트리올 대학교 천체물리학과 교수가 이끄는 NEAT(NIRISS Exploration of Atmospheric Diversity of Transiting Exoplanets) 보장 시간 관측 프로그램의 일환으로 수행되었습니다. 연구팀은 제임스 웹 우주 망원경(JWST)이 넓은 파장 범위에서 외계행성을 관측할 수 있는 능력의 중요성을 강조하며, 이를 통해 과학자들이 반사된 빛과 열 방출의 기여도를 분리할 수 있다고 설명했습니다. 라프레니에르 교수는 "이것은 JWST가 가능하도록 설계된 바로 그 종류의 획기적인 연구"라고 말했습니다.

 

 

 

'뜨거운 해왕성 사막'에 존재하는 희귀 행성

LTT 9779 b는 '뜨거운 해왕성 사막'에 존재하며, 이 지역에는 극히 드문 행성들만이 알려져 있습니다. 모항성에 매우 가까이 공전하는 거대한 행성들, 즉 '뜨거운 목성'은 현재의 외계행성 발견 방법으로 흔히 발견되지만, LTT 9779 b와 같은 초고온 해왕성은 매우 드물게 발견됩니다. 쿨롱브는 "이처럼 모항성에 가까운 크기의 행성을 발견하는 것은 불 속에서 녹지 않은 눈덩이를 발견하는 것과 같다"며, "이는 행성계의 다양성을 증명하며 극한 조건에서 행성이 어떻게 진화하는지에 대한 창을 제공한다"고 말했습니다.

 

 

행성 진화에 대한 새로운 통찰력을 제공하는 연구

이 희귀한 행성계는 끊임없이 별의 힘에 직면하여 행성이 어떻게 형성되고 이동하며 견디는지에 대한 과학자들의 이해에 계속해서 도전하고 있습니다. LTT 9779 b의 반사성 구름과 높은 금속성은 극한 환경에서 대기가 어떻게 진화하는지에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 쿨롱브는 "LTT 9779 b는 이러한 질문을 탐구하기 위한 놀라운 실험실이며, 은하계 전체의 행성계 구조를 형성하는 광범위한 과정에 대한 통찰력을 제공한다"고 말했습니다. 또한 그는 "이러한 발견은 작은 가스 거인의 대기 역학을 이해하기 위한 새로운 렌즈를 제공한다. 이것은 JWST가 이러한 매혹적인 세계에 대해 밝힐 것의 시작일 뿐이다"라고 덧붙였습니다.