솜사탕 행성계의 새로운 비밀

미국 펜실베니아 주립대학교와 일본 오사카 대학교의 연구진이 이끄는 새로운 연구에 따르면, 세 개의 초저밀도 '슈퍼 퍼프' 행성으로 알려진 특이한 행성계에 적어도 하나의 행성이 더 있는 것으로 나타났다. 연구팀은 NASA의 제임스 웹 우주 망원경(JWST)을 사용하여 이 시스템의 세 번째 행성인 케플러-51d를 연구하려고 했지만, 예상보다 두 시간 일찍 행성이 별 앞을 지나가는 바람에 거의 기회를 놓칠 뻔했다. 다양한 우주 및 지상 기반 망원경의 새로운 데이터와 기존 데이터를 면밀히 검토한 결과, 연구팀은 이 시스템의 다른 행성의 궤도에 영향을 미치는 네 번째 행성의 존재가 가장 좋은 설명이라는 결론을 내렸다.

새로운 행성의 발견은 12월 3일 천문학 저널에 게재된 논문에 자세히 설명되어 있다.

"슈퍼 퍼프 행성은 매우 낮은 질량과 밀도를 가지고 있어 매우 특이합니다."라고 펜실베니아 주립대학교의 외계행성 및 거주 가능 세계 센터 박사후 연구원이자 논문의 공동 제1 저자인 제시카 리비-로버츠는 말했다.

"별 케플러-51을 공전하는 세 개의 이전에 알려진 행성은 토성 크기이지만 지구 질량의 몇 배에 불과하여 솜사탕과 같은 밀도를 가지고 있습니다. 우리는 이 행성들이 작은 핵과 거대한 수소와 헬륨 대기를 가지고 있다고 생각하지만, 이러한 이상한 행성이 어떻게 형성되었고 어떻게 젊은 별의 강렬한 복사에 의해 대기가 날아가지 않았는지는 여전히 미스터리입니다. 우리는 JWST를 사용하여 이러한 행성 중 하나를 연구하여 이러한 질문에 답하려고 했지만, 이제 시스템에 네 번째 저질량 행성을 설명해야 합니다!"

행성이 지구에서 볼 때 별 앞을 지나거나 통과할 때 별빛을 일부 차단하여 별의 밝기가 약간 감소한다. 그 감소의 지속 시간과 양은 행성의 크기와 다른 특성에 대한 단서를 제공한다. 행성은 별 주위를 공전할 때 통과하지만, 때때로 시스템의 다른 행성의 중력이 행성을 잡아당겨 몇 분 일찍 또는 늦게 통과한다. 이러한 사소한 차이는 통과 시간 변화로 알려져 있으며 천문학자의 모델에 내장되어 행성이 언제 통과할지를 정확하게 예측할 수 있도록 한다.

 

 

뜻밖의 발견: 예상보다 2시간 빨랐던 행성의 통과

연구팀은 케플러-51 시스템의 삼중 행성 모델이 부정확하다고 생각할 이유가 없었으며, 2023년 5월 케플러-51b의 통과 시간을 성공적으로 예측하고 아파치 포인트 천문대(APO) 망원경으로 예정대로 관측했다.

"우리는 또한 2022년 케플러-51d의 통과를 관측하기 위해 펜실베니아 주립대학교 데이비 연구소 망원경을 사용하려고 했지만, 통과가 시작될 것으로 예측된 바로 그 순간 구름이 시야를 가렸습니다."라고 리비-로버츠는 말했다. "우리는 그때 무언가 잘못되었다는 것을 알 수 있었겠지만, 케플러-51d가 JWST로 관측할 계획이었을 때 예상대로 통과하지 않을 것이라고 의심할 이유가 없었습니다."

연구팀의 삼중 행성 모델은 케플러-51d가 2023년 6월 EDT 오전 2시경 통과할 것으로 예측했으며, 연구팀은 JWST와 APO 모두로 이벤트를 관측할 준비를 했다.

"다행히도 기준선을 설정하기 위해 몇 시간 일찍 관측을 시작했는데, 오전 2시가 되고 3시가 되어도 APO로 별의 밝기 변화를 관측하지 못했습니다."라고 리비-로버츠는 말했다. "미친 듯이 모델을 다시 실행하고 데이터를 면밀히 검토한 결과, APO로 관측을 시작하자마자 별의 밝기가 약간 감소하는 것을 발견했는데, 이것이 통과의 시작이었습니다. 예상보다 2시간이나 빨랐는데, 이는 모델의 불확실성 범위인 15분을 훨씬 넘어서는 것이었습니다!"

연구팀은 새로운 APO와 JWST 데이터를 분석하여 케플러-51d의 통과를 포착했지만, 예상보다 상당히 빨랐음을 확인했다.

 

 

 

퍼즐을 완성한 네 번째 행성

"우리는 케플러-51d의 조기 출현에 매우 당황했고, 삼중 행성 모델을 아무리 미세 조정해도 그렇게 큰 차이를 설명할 수 없었습니다."라고 오사카 대학의 지구 및 우주 과학 부교수이자 논문의 공동 제1 저자인 Kento Masuda는 말했다. "네 번째 행성을 추가하는 것만이 이러한 차이를 설명했습니다. 이것은 JWST를 사용하여 통과 시간 변화로 발견된 최초의 행성입니다."

케플러-51 시스템에서 무슨 일이 일어나고 있는지 설명하기 위해 연구팀은 NASA의 케플러 우주 망원경과 NASA의 트랜지팅 외계행성 서베이 위성(TESS)의 이전 통과 데이터를 재검토했다. 또한 허블 우주 망원경과 캘리포니아 공과대학의 팔로마 천문대 망원경을 사용하여 시스템 내부 행성에 대한 새로운 관측을 수행하고 여러 지상 기반 망원경의 보관 데이터를 얻었다. 새로운 행성인 케플러-51e가 아직 통과하는 것이 관측되지 않았기 때문에(아마도 별과 지구 사이의 시선 방향을 통과하지 않을 수 있기 때문) 연구팀은 가능한 한 많은 데이터를 얻어 새로운 모델을 뒷받침하는 것이 중요하다고 지적했다.

"우리는 지난 14년 동안 수집된 모든 통과 데이터를 설명하는 네 행성 모델을 찾기 위해 다양한 행성 특성 조합을 테스트하는 '무차별 대입' 검색을 수행했습니다."라고 마스다는 말했다. "우리는 케플러-51e가 다른 세 행성과 비슷한 질량을 가지고 있으며 약 264일의 상당히 원형 궤도를 따르는 경우 신호가 가장 잘 설명된다는 것을 발견했습니다. 이는 다른 행성계를 기반으로 예상할 수 있는 것입니다. 우리가 발견한 다른 가능한 해결책은 더 넓은 궤도의 더 무거운 행성을 포함하지만, 우리는 이것이 가능성이 낮다고 생각합니다."

네 번째 행성을 고려하고 모델을 조정하면 시스템의 다른 행성의 예상 질량도 변경됩니다. 연구원들에 따르면, 이것은 이러한 행성에 대한 다른 추론된 특성에 영향을 미치고 이들이 어떻게 형성되었는지에 대한 정보를 제공합니다. 내부의 세 행성은 이전에 생각했던 것보다 약간 더 무겁지만 여전히 슈퍼 퍼프로 분류됩니다. 그러나 케플러-51e가 슈퍼 퍼프 행성인지는 불분명합니다. 연구팀은 케플러-51e의 통과를 관측하지 않았기 때문에 반지름이나 밀도를 계산할 수 없기 때문입니다.

 

 

더 많은 미스터리를 품은 슈퍼 퍼프 행성계

"슈퍼 퍼프 행성은 상당히 드물며, 존재한다면 한 행성계에 하나뿐인 경우가 많습니다."라고 리비-로버츠는 말했다. "세 개의 슈퍼 퍼프가 한 시스템에서 어떻게 형성되었는지를 설명하는 것만으로도 충분히 어려웠는데, 이제 우리는 네 번째 행성을 설명해야 합니다. 그것이 슈퍼 퍼프이든 아니든 말입니다. 그리고 우리는 시스템에 추가적인 행성이 있을 가능성도 배제할 수 없습니다."

연구팀은 케플러-51e가 264일의 궤도를 가지고 있다고 믿기 때문에, 시스템 내부의 세 행성에 대한 중력 또는 추가 행성의 중력의 영향을 더 잘 파악하기 위해 추가 관측 시간이 필요하다고 말했다.

"케플러-51e는 금성보다 약간 더 큰 궤도를 가지고 있으며 별의 거주 가능 구역 안에 있으므로, 시간을 들여 살펴보면 그 거리 너머에 더 많은 일이 일어날 수 있습니다."라고 리비-로버츠는 말했다. "통과 시간 변화를 계속 관찰하면 별에서 더 멀리 떨어져 있고 잠재적으로 생명을 지원할 수 있는 행성을 찾는 데 도움이 될 수 있습니다."

 

연구팀은 현재 나머지 JWST 데이터를 분석하고 있는데, 이를 통해 케플러-51d의 대기에 대한 정보를 얻을 수 있다. 내부의 세 행성의 구성과 다른 번영을 연구하면 비정상적인 초저밀도 슈퍼 퍼프 행성이 어떻게 형성되었는지 이해하는 데에도 도움이 될 수 있다고 연구팀은 말했다.

케플러-51d 팀을 이끈 리비-로버츠와 마스다 외에도, 국제 연구팀에는 지상 기반 후속 관측의 대부분을 조율한 일본 국립 천문대의 존 리빙스턴, 많은 지상 기반 관측자, 케플러-51b 팀, 팔로마 팀이 포함된다.

NASA는 JWST와 허블 우주 망원경 보조금을 통해 이 연구를 지원했다. 이 연구를 위한 계산은 펜실베니아 주립대학교의 컴퓨팅 및 데이터 과학 고급 사이버 인프라 연구소에서 수행되었다.