외계 행성 대기, 3차원 지도로 최초 규명

유럽남방천문대(ESO)의 초대형 망원경(VLT)을 활용하여 태양계 밖 행성의 대기 3차원 구조를 최초로 밝혀냈습니다. 네 개의 망원경 유닛을 결합하여 관측한 결과, 철과 티타늄 같은 화학 원소를 포함한 강력한 바람이 행성 대기 전체에 복잡한 기상 패턴을 형성하는 것을 확인했습니다. 이번 발견은 다른 외계 행성의 화학적 구성과 기상 현상에 대한 심층 연구의 새로운 장을 열었습니다.

 

 

"SF 영화 같은 현실"

칠레에 있는 유럽남방천문대의 연구원이자 이번 연구의 주 저자인 Julia Victoria Seidel은 "이 행성의 대기는 지구뿐만 아니라 모든 행성의 기상 작용 방식에 대한 우리의 이해에 도전하는 방식으로 작동한다. SF 영화에서나 볼 법한 일"이라고 말했습니다.

 

 

극단적인 환경의 외계 행성, WASP-121b

WASP-121b(별칭: Tylos)는 바다사자자리 별자리 방향으로 약 900광년 떨어져 있습니다. 이 행성은 초고온 목성으로, 모항성 주위를 매우 가까이에서 공전하여 1년이 지구 시간으로 약 30시간밖에 되지 않습니다. 게다가 행성의 한쪽 면은 항상 별을 향하고 있어 매우 뜨겁고, 다른 쪽 면은 훨씬 차갑습니다.

 

대기 심층 분석과 3차원 지도 작성

연구팀은 Tylos의 대기 깊숙이 탐사하여 별개의 층에서 뚜렷한 바람을 발견했으며, 대기 3차원 지도를 작성했습니다. 이는 태양계 밖 행성의 대기를 이처럼 심층적이고 자세하게 연구한 것은 처음입니다. 이번 연구는 외계 행성 연구에 획기적인 발전을 가져올 것으로 기대됩니다.

 

 

외계 행성 대기, 놀라운 제트 기류와 화학 성분 발견

연구팀은 WASP-121b(Tylos)에서 놀라운 사실을 발견했습니다. 행성 적도를 따라 물질을 회전시키는 제트 기류가 존재하며, 대기 낮은 곳에서는 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 가스를 이동시키는 별도의 흐름이 있다는 것입니다. 이러한 종류의 기후는 지금까지 어떤 행성에서도 관측된 적이 없습니다. 프랑스 니스 코트다쥐르 천문대의 라그랑주 연구소 연구원이기도 한 Seidel은 "태양계에서 가장 강력한 허리케인조차 이와 비교하면 잔잔해 보인다"고 덧붙였습니다. 관측된 제트 기류는 행성의 절반에 걸쳐 있으며, Tylos의 뜨거운 쪽을 가로지르면서 속도를 높여 하늘 높이에서 대기를 격렬하게 휘젓습니다.

 

 

초대형 망원경 VLT와 ESPRESSO 장비 활용

연구팀은 외계 행성 대기의 3차원 구조를 밝히기 위해 유럽남방천문대의 VLT에 있는 ESPRESSO 장비를 사용하여 네 개의 대형 망원경 유닛의 빛을 단일 신호로 결합했습니다. VLT의 이 결합 모드는 개별 망원경 유닛보다 4배나 많은 빛을 모아 희미한 세부 사항을 드러냅니다. ESPRESSO는 모항성 앞을 완전히 통과하는 행성을 관측함으로써 여러 화학 원소의 흔적을 감지하여 결과적으로 대기의 여러 층을 탐사할 수 있었습니다.

 

다양한 층의 바람과 화학 원소 추적

공동 저자인 미국 볼티모어 우주 망원경 과학 연구소의 Leonardo A. dos Santos는 "VLT를 통해 외계 행성 대기의 세 가지 다른 층을 한 번에 탐사할 수 있었다"고 말했습니다. 연구팀은 각각 행성 대기의 깊은 층, 중간 층, 얕은 층의 바람을 추적할 수 있도록 철, 나트륨, 수소의 움직임을 추적했습니다. 그는 "이러한 종류의 관측은 우주 망원경으로는 수행하기가 매우 어렵기 때문에 외계 행성의 지상 관측의 중요성을 강조한다"고 덧붙였습니다.

 

 

티타늄의 존재와 추가 연구

흥미롭게도, 관측 결과 제트 기류 바로 아래에 티타늄이 존재한다는 사실도 밝혀졌습니다. 이는 ‘천문학과 천체 물리학’에 발표된 동반 연구에서 강조된 내용입니다. 이전의 행성 관측에서는 이 원소가 대기 깊숙이 숨겨져 있을 가능성 때문에 발견되지 않았기 때문에 또 다른 놀라움이었습니다. 이번 발견은 WASP-121b의 대기 역학과 화학적 조성을 이해하는 데 중요한 단서를 제공하며, 향후 외계 행성 연구에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대됩니다.

 

 

외계 행성 연구의 새로운 지평: 더 작은 행성, 더 큰 망원경

스웨덴 룬드 대학교와 ESO의 박사 과정 학생이자 동반 연구를 이끈 Bibiana Prinoth는 "그렇게 먼 거리에 있는 행성의 화학적 구성과 기상 패턴과 같은 세부 사항을 연구할 수 있다는 것은 정말 놀라운 일"이라고 말했습니다. 그녀는 이번 연구가 외계 행성 연구의 새로운 시대를 열었다는 점을 강조했습니다.

 

 

차세대 망원경 ELT와 ANDES의 등장

하지만 더 작고 지구와 유사한 행성의 대기를 밝혀내기 위해서는 더 큰 망원경이 필요합니다. 현재 칠레 아타카마 사막에서 건설 중인 ESO의 초대형 망원경(ELT)과 ANDES 장비가 그 역할을 수행할 것으로 기대됩니다. Prinoth는 "ELT는 외계 행성 대기 연구에 판도를 바꿀 것"이라고 말하며, "이러한 경험을 통해 현재 우리가 꿈꿀 수밖에 없는 놀라운 것들을 밝혀낼 수 있는 문턱에 와 있다는 느낌을 받는다"고 덧붙였습니다. ELT의 등장은 외계 행성 연구에 획기적인 도약을 가져올 것이며, 지구형 행성 연구에 새로운 지평을 열어줄 것으로 예상됩니다.

 

티타늄 발견 관련 논문 정보

티타늄의 존재를 밝혀낸 동반 연구는 '천문학과 천체 물리학' 저널에 "ESPRESSO의 4-UT 모드를 이용한 WASP-121 b의 티타늄 화학(Titanium chemistry of WASP-121 b with ESPRESSO in 4-UT mode)"이라는 제목으로 게재되었습니다 (doi: 10.1051/0004-6361/202452405). 이 논문은 WASP-121b의 대기 화학 성분 분석에 대한 자세한 내용을 담고 있으며, 티타늄 발견의 중요성을 강조하고 있습니다.