외계 행성 '뜨거운 준해왕성' 형성 과정 밝혀져

펜실베이니아 주립대학교 연구팀이 주도한 새로운 연구에 따르면, 우주적인 복합적인 과정들이 우리 태양계 외부에서 가장 흔한 유형 중 하나인 행성, 즉 '뜨거운 준해왕성'의 형성에 기여하는 것으로 나타났습니다. 연구팀은 NASA의 외계행성 탐색 위성(TESS)의 데이터를 활용하여 젊은 별 주위를 매우 가까이 공전하는 어린 준해왕성들을 연구했습니다. 이 연구는 이러한 행성들이 초기 단계에 어떻게 안쪽으로 이동하거나 대기를 잃게 되는지에 대한 통찰력을 제공합니다.

 

 

 

뜨거운 준해왕성의 수수께끼: 가까운 궤도와 강렬한 별빛

연구 결과는 천문학 저널에 3월 17일 발표되었으며, 준해왕성의 특성에 대한 단서를 제공하고 그 기원에 대한 오랜 질문에 답하는 데 도움을 줄 것이라고 연구팀은 밝혔습니다. 연구팀의 리더인 펜실베이니아 주립대학교 천문학 및 천체물리학과의 레이첼 페르난데스 박사는 현재까지 발견된 약 5,500개의 외계행성 대부분이 항성에 매우 가까운 궤도를 가지고 있다고 설명했습니다. 이는 우리 태양계의 수성보다 더 가까운 거리이며, 이러한 행성들을 '근접 행성'이라고 부릅니다. 이 중 다수는 우리 태양계에는 존재하지 않는 유형인 가스형 준해왕성입니다. 목성이나 토성과 같은 우리 태양계의 거대 가스 행성들은 태양으로부터 더 멀리 떨어진 곳에서 형성되었지만, 어떻게 그렇게 많은 근접 준해왕성들이 강렬한 별의 복사열에 노출된 항성 근처에서 살아남을 수 있었는지는 불분명했습니다.

 

 

젊은 별 관측을 통한 행성 형성 비밀 해독

준해왕성의 형성과 진화를 더 잘 이해하기 위해 연구자들은 TESS 덕분에 최근에 관측 가능하게 된 젊은 별 주위의 행성에 주목했습니다. 페르난데스 박사는 다양한 연령의 별 주위에서 특정 크기의 외계행성 빈도를 비교하면 행성 형성을 주도하는 과정에 대해 많은 것을 알 수 있다고 말했습니다. 만약 행성이 특정 크기와 위치에서 흔히 형성된다면, 서로 다른 연령의 별들 주위에서 유사한 크기의 행성 빈도를 관찰할 수 있어야 합니다. 그렇지 않다면, 특정 과정들이 시간이 지남에 따라 이러한 행성들을 변화시키고 있다는 것을 의미합니다. 그러나 젊은 별 주위의 행성을 관측하는 것은 전통적으로 어려웠습니다. 젊은 별들은 강렬한 방사선을 방출하고 빠르게 회전하며 활동성이 매우 높아 주변 행성을 관측하는 데 어려움을 주는 높은 수준의 "노이즈"를 생성합니다.

 

 

 

노이즈 속에서 행성을 찾아내는 '프테로닥틸' 도구

페르난데스 박사는 생후 10억 년 동안의 젊은 별들은 격렬하게 방사선을 방출하며 많은 "노이즈"를 생성한다고 설명했습니다. 연구팀은 이러한 별의 격렬한 활동으로 인한 노이즈를 뚫고 TESS 데이터에서 젊은 행성을 실제로 감지하기 위해 지난 6년간 '프테로닥틸(Pterodactyls)'이라는 계산 도구를 개발했습니다.

 

 

 

'프테로닥틸'을 활용한 뜨거운 준해왕성 연구: 궤도 및 크기 분석

연구팀은 개발한 '프테로닥틸' 도구를 사용하여 TESS 데이터를 분석하고, 공전 주기가 12일 이하인 행성들을 식별했습니다. 이는 수성의 88일 공전 주기에 비해 훨씬 짧은 기간입니다. 연구의 목표는 이러한 행성들의 크기와, 모항성의 복사열에 의해 어떻게 형성되었는지를 조사하는 것이었습니다. TESS의 관측 창이 27일이었기 때문에, 연구팀은 잠재적인 행성들의 완전한 공전 궤도를 두 번 관측할 수 있었습니다. 그들은 지구 반지름의 1.8배에서 10배 사이의 크기를 가진 행성들에 초점을 맞추어, 젊은 행성계와 이전에 TESS 및 은퇴한 NASA의 케플러 우주 망원경으로 관측된 더 오래된 행성계에서 준해왕성의 빈도가 유사한지 또는 다른지를 확인하고자 했습니다.

 

 

젊은 별 주변 준해왕성의 빈도 변화와 형성 메커니즘

연구 결과, 가까운 궤도를 도는 준해왕성의 빈도는 시간이 지남에 따라 변하는 것으로 나타났습니다. 1천만 년에서 1억 년 사이의 별 주변에는 1억 년에서 10억 년 사이의 별 주변보다 준해왕성의 수가 더 적었습니다. 그러나 더 오래되고 안정적인 행성계에서는 가까운 궤도의 준해왕성 빈도가 훨씬 낮았습니다. 페르난데스 박사는 이러한 크기의 가까운 별에서 관찰되는 패턴을 형성하는 데 다양한 과정이 작용하고 있다고 믿습니다. 많은 준해왕성이 원래 별에서 더 멀리 떨어진 곳에서 형성되어 시간이 지남에 따라 천천히 안쪽으로 이동했을 가능성이 있으며, 따라서 중간 연령의 별 주변에서 이러한 공전 주기를 가진 행성이 더 많이 관찰될 수 있습니다. 후기에는 별의 복사열이 행성의 대기를 날려 버리는 대기 질량 손실이라는 과정을 통해 행성들이 더 흔하게 수축할 수 있으며, 이는 준해왕성의 낮은 빈도를 설명할 수 있습니다. 그러나 이러한 패턴을 시간이 지남에 따라 형성하는 것은 하나의 지배적인 힘이라기보다는 여러 우주적 과정의 조합일 가능성이 높습니다.

 

 

 

향후 연구 계획 및 추가 관측의 중요성

연구팀은 TESS를 사용하여 더 긴 공전 주기를 가진 행성을 관측할 수 있도록 관측 창을 확대하고 싶다고 밝혔습니다. 유럽우주국의 PLATO와 같은 미래의 임무는 연구팀이 수성, 금성, 지구, 화성과 유사한 더 작은 크기의 행성을 관측할 수 있도록 해줄 수도 있습니다. 분석 범위를 더 작고 더 먼 행성으로 확장하면 연구자들이 도구를 개선하고 행성이 어떻게 그리고 어디에서 형성되는지에 대한 추가 정보를 얻는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 NASA의 제임스 웹 우주 망원경은 개별 행성의 밀도와 구성을 특성화할 수 있게 해줄 것이며, 이는 행성이 어디에서 형성되었는지에 대한 추가적인 단서를 제공할 수 있다고 페르난데스 박사는 덧붙였습니다.

 

 

 

개별 행성 연구와 집단 연구의 통합을 통한 행성 형성 이해 증진

페르난데스 박사는 개별 행성 연구와 이번 연구와 같은 행성 집단 연구를 결합하는 것이 젊은 별 주변의 행성 형성에 대한 훨씬 더 나은 그림을 제공해 줄 것이라고 강조했습니다. 그는 더 많은 태양계와 행성을 발견할수록 우리 태양계가 진정한 표준이 아니라 예외라는 것을 깨닫게 된다고 덧붙였습니다. 미래의 탐사 임무들은 젊은 별 주변의 더 작은 행성들을 발견할 수 있게 해주고, 행성계가 시간이 지남에 따라 어떻게 형성되고 진화하는지에 대한 더 나은 그림을 제공하여, 오늘날 우리가 알고 있는 우리 태양계가 어떻게 생겨났는지 더 잘 이해하는 데 도움을 줄 수 있을 것입니다.

 

 

다양한 연구진의 협력과 연구 지원

이번 연구에는 펜실베이니아 주립대학교의 레베카 도슨 교수(당시 과학 분야 샤퍼 경력 개발 교수 및 천문학 및 천체물리학 교수, 현재 NASA의 물리 과학자)를 비롯하여 애리조나 대학교의 갈렌 J. 버그스텐, 일라리아 파스쿠치, 케빈 K. 하데그리-울먼, 토미 T. 코스키넨, 카티아 쿠냐; 칠레 교황청 가톨릭 대학교의 가이스 멀더스; 캘리포니아 공과대학교의 스티븐 지아칼론, 에릭 마마젝, 카일 피어슨, 데이비드 치아르디, 프리티 카푸어, 제시 크리스찬슨, 존 징크; 케임브리지 대학교 로스앤젤레스 캠퍼스의 제임스 로저스; 프린스턴 대학교의 아카시 굽타; 카네기 과학 연구소의 키어스텐 볼리; 컬럼비아 대학교의 제이슨 커티스; 스토니브룩 대학교의 사비나 사긴바예바; 호주 서던 퀸즐랜드 대학교의 사키 부레; 그리고 북부 조지아 대학교의 그레고리 페이든 등 다양한 기관의 연구진이 참여했습니다.

 

이번 연구는 NASA의 "외계 지구" 보조금 지원을 포함한 NASA, 칠레 국립 과학 기술 개발 기금, 그리고 미국 국립 과학 재단의 자금 지원을 받았습니다. 추가적으로 펜실베이니아 주립대학교 외계행성 및 거주 가능 행성 센터와 펜실베이니아 주립대학교 외계 지적 생명체 연구 센터의 지원이 있었습니다. 본 연구의 계산 작업은 펜실베이니아 주립대학교 계산 및 데이터 과학 연구소의 Roar 슈퍼컴퓨터를 이용하여 수행되었습니다.