뜨거운 목성과 새로운 행성계의 발견

뜨거운 목성(Hot Jupiter)은 목성과 비슷한 질량을 가지면서도 항성에 매우 가까이 공전하는 거대 가스 행성입니다. 이들은 수성보다도 훨씬 더 가까운 거리에서 항성을 도는데, 이렇게 항성에 가까운 곳에서는 행성 형성에 필요한 가스와 먼지가 충분하지 않기 때문에, 원래는 항성에서 멀리 떨어진 곳에서 형성된 후 현재의 궤도로 이동해 온 것으로 여겨집니다.

 

 

기존 이론의 한계

과거에는 뜨거운 목성이 항성 주위에 다른 행성 없이 홀로 존재하는 것으로 관측되는 경우가 많았습니다. 이러한 관측 결과를 뒷받침하는 이론도 존재했는데, 거대 행성이 항성으로 이동하는 과정에서 안쪽 궤도에 있는 다른 행성들을 중력적으로 흡수하거나 궤도에서 튕겨내기 때문에 주변에 다른 행성이 남지 않는다는 것이었습니다. 즉, 뜨거운 목성의 이동은 필연적으로 다른 행성들을 제거하는 과정이라고 여겨졌습니다.

 

 

WASP-132 행성계의 발견과 새로운 시각

하지만 최근의 관측들은 이러한 기존의 이론에 의문을 제기하고 있습니다. 제네바 대학교(UNIGE) 천문학과가 주도하고 베른 대학교(UNIBE), 취리히 대학교(UZH), 국립 스위스 과학 재단(NCCR) PlanetS, 그리고 워릭 대학교를 비롯한 여러 국제 기관이 협력한 연구팀은 WASP-132라는 행성계에서 기존의 이론과는 다른 모습을 발견했습니다. 이들은 뜨거운 목성뿐만 아니라, 뜨거운 목성보다도 항성에 더 가까운 슈퍼 지구(Super-Earth)와, 뜨거운 목성보다 훨씬 더 멀리 떨어진 거대한 외행성까지 함께 발견한 것입니다. 이 연구 결과는 천문학 및 천체 물리학 저널(Astronomy & Astrophysics)에 발표되었습니다.

 

 

예상치 못한 행성계의 구조와 의미

WASP-132 행성계의 발견은 뜨거운 목성이 항상 홀로 존재하는 것이 아니라는 것을 보여줍니다. 뜨거운 목성, 슈퍼 지구, 거대 외행성이 함께 공존하는 이 행성계의 구조는 기존의 이론으로는 설명하기 어렵습니다. 만약 뜨거운 목성이 다른 행성들과 함께 존재할 수 있다면, 뜨거운 목성의 이동 과정은 기존에 생각했던 것처럼 다른 행성들을 모두 제거하는 파괴적인 과정이 아니라, 행성계의 구조를 보존하면서 이루어지는 다른 방식이 존재한다는 것을 의미합니다. 즉, 행성 이동의 메커니즘에 대한 우리의 이해를 재고해야 할 필요성이 제기된 것입니다.

 

 

새로운 연구의 중요성과 향후 과제

이번 연구는 뜨거운 목성의 형성과 이동에 대한 기존의 통념을 깨는 중요한 발견입니다. 뜨거운 목성이 다른 행성들과 공존할 수 있다는 사실은 행성계의 진화와 형성에 대한 우리의 이해를 넓히는 데 중요한 단서가 될 것입니다. 앞으로는 WASP-132와 같은 다중 행성계의 추가적인 관측을 통해 뜨거운 목성의 이동 과정과 행성계의 역동성에 대한 더 심도 있는 연구가 필요할 것으로 예상됩니다. 특히, 행성 간의 중력적 상호작용이 행성계의 구조에 어떠한 영향을 미치는지를 밝히는 것이 중요한 과제가 될 것입니다.

 

 

WASP-132 행성계의 독특한 구성

WASP-132 행성계는 매우 독특한 구성을 가진 다중 행성계입니다. 이 행성계는 7일 3시간 만에 항성을 공전하는 뜨거운 목성, 단 24시간 17분 만에 항성을 공전하는 지구 질량의 6배인 슈퍼 지구, 그리고 5년 만에 항성을 공전하는 목성 질량의 5배인 거대 행성을 포함하고 있습니다. 게다가, 훨씬 더 무거운 동반 천체, 아마도 갈색 왜성(행성과 별 사이의 질량을 가진 천체)으로 추정되는 천체가 매우 먼 거리에서 공전하고 있습니다.

 

 

행성계 연구의 중요한 실험실

제네바 대학교(UNIGE) 천문학과 부교수이자 공동 저자인 프랑수아 부시는 "WASP-132 행성계는 다중 행성계의 형성과 진화를 연구하는 데 매우 중요한 실험실입니다. 뜨거운 목성과 안쪽의 슈퍼 지구, 그리고 멀리 떨어진 거대 행성의 발견은 이러한 행성계의 형성과 진화에 대한 우리의 이해에 의문을 제기합니다."라고 말했습니다. 또한, 당시 UNIGE와 UNIBE의 박사후 연구원이었으며 논문의 공동 저자인 솔렌 울머-몰은 "이러한 구성을 관측한 것은 이번이 처음입니다!"라고 덧붙였습니다.

 

 

WASP-132 행성계 발견의 역사

외계 행성 연구자들에게 WASP-132 항성의 이야기는 2006년, 광각 행성 탐색(WASP) 프로그램을 통해 시작되었습니다. 2012년, 23,000건 이상의 광도 측정을 통해 7.1일의 공전 주기를 가진 행성 후보 WASP-132b가 확인되었습니다. 2014년에는 UNIGE가 주도하여 스위스 오일러 망원경에 설치된 CORALIE 분광기가 이 후보 천체를 관측하기 시작했습니다. 2016년, WASP-132b는 최종적으로 행성으로 확정되었고, 질량은 목성 질량의 0.41배로 측정되었습니다. 또한 CORALIE의 측정 결과는 매우 긴 주기를 가진 또 다른 거대 행성의 존재를 암시했습니다.

2021년 말, TESS 우주 망원경은 같은 항성 주변에서 1.01일의 주기를 가진 지름 1.8 지구 반지름의 슈퍼 지구의 신호를 포착했습니다. 2022년 상반기에는 워릭 대학교의 데이비드 암스트롱이 주도하는 프로그램의 일환으로 라 실라 천문대의 HARPS 분광기가 이 슈퍼 지구의 질량을 측정했고, 지구 질량의 6배라는 결과를 얻었습니다.

 

 

WASP-132 행성계의 중요성

WASP-132 행성계는 뜨거운 목성의 형성과 이동에 대한 기존 이론에 중요한 반례를 제공합니다. 뜨거운 목성이 다른 행성들과 공존하는 모습은 행성계의 진화 과정을 새롭게 이해해야 할 필요성을 시사합니다. 특히, 이 행성계는 다양한 행성들이 어떻게 상호작용하며 행성계를 구성하는지 연구하는 데 중요한 자료를 제공할 것으로 기대됩니다.

 

 

슈퍼 지구의 발견과 추가 관측

당시 UNIGE 천문학과 박사후 연구원이었으며 논문의 제1 저자인 놀란 그리브스는 "안쪽 슈퍼 지구의 발견은 특히 흥미로웠습니다. 우리는 HARPS를 사용한 집중적인 관측과 최적화된 신호 처리를 통해 질량, 밀도, 구성을 분석해야 했고, 그 결과 지구와 비슷한 밀도를 가진 행성임을 밝혀냈습니다."라고 설명했습니다. WASP-132에 대한 관측은 아직 끝나지 않았습니다. 유럽 우주국(ESA)의 가이아 위성은 2014년부터 별들의 미세한 위치 변화를 측정하여 행성 동반 천체와 외부 갈색 왜성을 밝히는 것을 목표로 하고 있습니다.

 

 

새로운 이론의 필요성

외부의 차가운 거대 행성과 안쪽의 슈퍼 지구의 발견은 WASP-132 시스템에 또 다른 복잡성을 더합니다. 뜨거운 목성이 내부로 역학적 섭동에 의해 이동했다는 표준 가설은 다른 두 행성의 궤도를 불안정하게 만들었을 것이기 때문에 이 경우에는 적용되지 않습니다. 대신, 이들의 존재는 뜨거운 목성이 원시 행성 원반에서 더 안정적이고 역학적으로 '차가운' 이동 경로를 거쳤음을 시사하며, 이로 인해 주변 행성들이 보존될 수 있었습니다.

 

행성들의 밀도와 내부 구성

정확한 반지름과 질량 측정을 통해 행성들의 밀도와 내부 구성도 결정할 수 있었습니다. 뜨거운 목성 WASP-132b는 가스 거대 행성 형성 모델과 일치하는 약 17 지구 질량의 무거운 원소 농축을 보여줍니다. 슈퍼 지구는 지구와 매우 유사한 금속과 규산염이 주를 이루는 구성을 가지고 있습니다.

 

 

연구의 결론과 향후 전망

취리히 대학교(UZH) 교수이자 공동 저자인 라비트 헬레드는 "같은 시스템에서 뜨거운 목성, 안쪽 슈퍼 지구, 외부 거대 행성의 조합은 행성 형성 이론, 특히 이동 과정에 중요한 제약을 제공합니다. WASP-132는 다중 행성계의 다양성과 복잡성을 보여주며, 매우 장기적이고 고정밀 관측의 필요성을 강조합니다."라고 결론지었습니다. 즉, WASP-132 행성계의 발견은 기존의 행성 형성 및 이동 이론으로는 설명하기 어려운 새로운 유형의 행성계임을 보여주며, 향후 더 정밀한 관측과 연구를 통해 행성계의 형성과 진화에 대한 우리의 이해를 더욱 심화시켜야 할 필요성을 제기합니다. 특히, 다양한 행성들이 공존하는 환경에서 행성들이 어떻게 상호작용하는지에 대한 연구가 중요해질 것으로 예상됩니다.