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2012년 6월 14일 목요일

우주 이야기 40 - 극단적이거나 기이한 외계 행성들



 
 관측 기술의 발전으로 인해 지난 10여년간 태양계외의 다른 항성들에게서 수많은 외계 행성들이 발견되고 있다. 지난 1990년을 전후한 시기부터 2009년 까지 적어도 397개의 외계 행성들이 확인 (confirm) 되었고 앞으로 그 수는 더욱 기하급수적으로 증가하게 될 것이다. 아마 지금까지 발견된 외계 행성은 수는 거의 무시할 수 있을 만큼 많은 외계 행성이 발견되게 될 가능성이 높고, 그 중에서는 생명체가 살만한 조건의 행성도 상당할 것으로 기대된다.



(지금까지 연도별로 발견된 외계 행성의 숫자. 2009년은 12월 18일까지 통계이다. 파란색은 radial velocity, 초록색은 transit, 붉은 색은 direct imaging, 짙은 오랜지색은 microlensing, 자주색은 pulsar timinig, 짙은 노란색은 astrometry, 짙은 자주색은 timing 을 이용한 방법으로 발견한 것이다. I, the copyright holder of this work, hereby release it into the public domain. This applies worldwide.)



 사실 앞서 설명한 케플러 우주 망원경 관측이나 SIM/TFP 의 관측이 이루어지고 나면 워낙 많은 수의 외계 행성들이 새롭게 발견될 것이기 때문에 이런 포스팅은 좀 우습긴 하지만 그래도 나름대로 지금까지 확인된 외계 행성들을 주제로 생각해본 포스트가 있다. 그것은 바로 극단적이거나 혹은 기이한 외계 행성 (Extreme or Extraordinary extrasolar planet) 들에 대한 이야기다.



 지금까지 (2009년까지) 발견된 외계 행성들을 토대로 이 중 가장 극단적인 조건 - 가장 크거나 가장 모성에 가깝거나 혹은 가장 뜨겁거나 등등 - 의 외계 행성을 알아볼 것이다. 물론 현재 수많은 외계 행성들이 발견되고 있는 상태이고 몇몇 외계 행성들의 경우 측정값이 정확하지 않은 것들도 많기 때문에 이 포스트에서 언급한 외계 행성들은 후보일 뿐이고 사실 자신있게 말할 수 있는 것들은 아니니 어디까지나 참고만 하기 바란다.



 지금까지 발견된 가장 가까운 외계 행성


 : 현재 까지 발견된 가장 가까운 외계 행성은 10.4 광년 떨어진 에리다누스자리 엡실론 b 이다. (Epsilon Eridani b) 대략 목성 질량의 1.5 배 정도되는 외계 행성으로 3.3 AU (AU = 약 1.5억 km) 정도 되는 거리에서 모성 주변을 공전하는 목성형 행성일 것으로 생각된다.



(에리다누스 자리 엡실론 b 의 상상도   This file is in the public domain because it was created byNASA)



지금까지 발견된 가장 멀리 떨어진 외계 행성


 : 지금까지 발견된 외계 행성 가운데 가장 멀리 떨어진 것은 아마도  OGLE-2005-BLG-390Lb  으로 생각되는데 그 거리가 무려 21500 ± 3000 광년 떨어진 외계 행성이다. 이 외계 행성은 모성에서 2.6 AU 떨어진 궤도를 공전하며 질량은 지구의 5.5 배 정도로 아마도 슈퍼 지구로 알려진 대형 지구형 행성으로 생각되고 있다. 예상 표면 온도는 50K 정도로 생명체 존재 가능성은 희박하다.


( OGLE-2005-BLG-390Lb 의 컨셉 아트.   This file is in the public domain because it was created by NASA  )




 지금까지 발견된 가장 작은 외계 행성


 :  사실 이건 좀 문제가 될 수 있는 여지가 있는데 작은 외계 행성은 정확한 질량을 알기 어려운 데다 태양계의 전례를 따른다면 아주 작을 경우 어떻게 정의할 것인지가 다소 어려운 문제가 될 수 있기 때문이다. 일단 태양계에서는 행성의 정의를 태양 주위를 돌면서 충분한 질량을 가지고 정역학적 평형상태로 구형을 유지하면서 주위 궤도에 다른 천체가 없는 경우 (트로이 소행성을 생각한다면 그 궤도에서 압도적인 천체를 생각할 수 있을 듯) 로 하고 있기 때문이다.


 그런데 이 조건을 만족하는 아주 작은 천체도 행성인가 ? 사실 충분한 질량을 가지고 구형을 유지하려면 적어도 태양계에서는 지름 500km 는 넘어야 한다. 따라서 현재 기준에서도 하한선은 어느 정도 있다고 하겠다. 하지만 앞으로 아주 작은 외계 행성들이 발견되는 경우 이 하한선에 대한 정의에 대해서 다시 한번 논의되지 않을까 생각된다.


 아무튼 현재까지 발견된 가장 작은 외계 행성은  PSR B1257+12A  이다. 이 외계 행성의 질량은 지구의 0.02 배에 불과한데 이렇게 작은 외계 행성을 포착할 수 있었던 이유는 2개 정도 되는 이 이웃 외계 행성의 움직임을 분석한 결과이다. 거리는 무려 980광년 정도 떨어져 있다.




(지구와 PSR B1257+12A 의 크기 예상 비교  
 Models include:
   water world with a rocky core, composed of 75% H2O 3% Fe 22% MgSiO3
   hypothetical pure water (ice) planet, the largest size for PSR B1257+12 A without a significant H/He envelope
   rocky terrestrial "Earth-like" planet, composed of 67% Fe, 32.5% MgSiO3
   hypothetical pure iron planet, PSR B1257+12 A's theoretical smallest size
 CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시  저자   Aldaron)



 지금까지 발견된 가장 큰 외계 행성


: 가장 큰 외계 행성 역시 논란의 여지가 있을 수 있는 부분이다. 일단 목성 질량의 약 13배가 넘으면 현재 추세는 궤도에 관계 없이 갈색 왜성으로 부르기로 하는 경향인 것 같다. 따라서 행성 질량의 상한선은 목성의 13배 이다. 이 이상에서는 중수소를 이용한 핵융합 반응이 가능하기 때문이다. (한마디로 가장 큰 외계 행성은 이론적으로 이 한계를 넘을 수 없다는 것)


 따라서 안정되게 핵융합 반응을 유지하진 못해도 희미하게나마 스스로 빛 - 정확히 말하면 가시 광선 영역보다 적외선 영역으로 더 많은 에너지를 방출한다 - 을 내기 때문에 스스로 빛나지 않는 천체라는 행성의 일반적인 범주에 들지 않는다고 본다.


 다만 지름을 기준으로 하면 이야기는 다르다. 현재까지 확인된 지름이 가장 큰 외계 행성은 TrES-4 이다. 이 외계 행성의 지름은 목성의 1.799 ± 0.063 배이고 질량은 0.919 ± 0.073 이다. 한마디로 목성 보다 조금 가벼운 행성이 지름은 목성의 1.8배인 셈인데 이로 인해 그 밀도는 물의 1/3 정도인 0.33g/㎣ 에 불과한 것으로 생각된다.


 이 외계 행성은 모성과의 거리가 불과 0.05 AU 에 불과하고 표면 온도가 1782 ± 29 K 에 달하는데 이를 달리 말하면 모항성과 거리가 너무 가까워 뜨겁게 달아올라 부풀어 오른 상태로 생각된다. 다만 새롭게 발견된 외계 행성  WASP-17b 이 TrES-4과 거의 비슷한 정도로 반지름이 큰 것으로 추측되고 있다.



 지금까지 발견된 공전 주기가 가장 짧은 외계 행성


 : 공전 주기가 가장 짧은 외계 행성의 후보는 COROT-7b 이다. 그리고 이 행성이 지금까지 직접적인 방법으로 지름이 측정된 행성 가운데서 가장 크기가 작은 외계 행성이기도 하다. (위의 PSR B1257+12A 는 간접적인 방식을 측정된 것이다)


 이 외계 행성은 2009년 초 발견되었는데 유럽 우주국이 발사한 COROT 탐사 위성이 발견한 것이다. 발견하는 방식은 이전 설명한 케플러 우주 망원경과 비슷하게 외계 행성이 모항성 앞을 지나가는 식현상을 포착하는 것이다. 이 방식을 통하면 행성의 시지름까지 측정이 가능하다.



(모성인 황색 왜성 COROT 7 의 앞을 지나는 COROT -7b (검은색 점) 의 컨셉 아트. 이 현상을 분석하면 외계 행성의 주기, 크기, 질량등 여러 정보를 얻을 수 있다 I, Kevin Heider, the copyright holder of this work, hereby releases it into the public domain. This applies worldwide. )


(COROT-7b 의 컨셉아트   모항성에 워낙 가깝기 때문에 표면온도는 아마도 1300 - 1800K 정도로 생각된다.  CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시   저자    ESO/L. Calcada)


 아무튼 이런 방식으로 측정한 이 외계 행성의 공전 궤도는 0.0172 ± 0.00029 AU 혹은 258만 km 정도에 불과하며 공전 주기 또한 20.5 시간에 불과하다. 한마디로 지구로는 하루도 안되는 시간이 일년인 셈이다. 지구 질량의 4.9 배 정도 되는 지구형 행성으로 생각되며 그 지름은 지구의 1.7배이다.


 (다만 SWEEPS-10 이란 외계 행성의 경우 그 공전 주기가 10.2 시간에 불과할 가능성이 제기 되고 있어 만약 확실히 증명되면 이 기록을 갈아치울 가능성이 있다)


 참고로 이 COROT-7b 는 모항성에서 가장 가까이 있는 외계 행성의 후보이기도 하다. 이외 다른 후보로는 글리제 876b 가 거론되고 있다. 글리제 876b 의 경우 모항성에서 평균거리가 약 311만 km 정도로 생각된다.



 모항성에서 가장 멀리 떨어진 외계 행성


 : 이 후보는 사실 정확하진 않다. 필자가 확인해본 바로는 그 후보가 될 만한 것은 이전에 소개한 포말하우트 b (Fomalhaut b) 인데 약 평균 115 AU 정도 모항성에서 떨어진 거리를 872년 주기로 돌고 있다. 다만 이 정보는 확실하지 않으니 그냥 참고만 하기 바란다.



 역행성으로 공전하는 외계 행성


 : 2009 년에는 공전 궤도가 다른 행성 및 모항성의 자전 궤도와 다른 외계 행성들이 발견되었다. (Retrograde orbit) 일단 현재 WASP 17b 및 HAT-P-7b 이 역행성 외계 행성으로 보인다. 그러나 연구가 진행됨에 따라서 더 많은 역행성 외계 행성들이 발견될 지도 모른다.



 태양계에서는 태양 자체를 역행성 궤도로 도는 천체는 발견되지 않았다. 다만 이전 포스팅에서 소개한 것 처럼 해왕성의 위성인 트리톤의 경우 역행성 궤도를 돌고 있다. 이런 역행성 궤도의 원인으로 지목되는 것은 보통 포획설이나 충돌설인데 정확한 것은 현재까지는 알려지지 않았다.




 가장 표면 온도가 뜨거운 외계 행성


 : 현재 까지 발견된 것중에 가장 뜨거운 외계 행성의 후보는 WASP-12b 이다. 표면 온도는 2525K 정도로 추정된다. 모항성에서의 평균거리는 0.0218 AU (342만 km) 정도 이며 질량은 목성의 1.41배, 지름은 목성은 1.79배 정도이다. 역시 모항성에서 워낙 가깝게 돌고 있기 때문에 표면 온도가 매우 높은 것으로 보인다. 참고로 가장 차가운 행성은 확실치 않다.



 일단 이정도 리스트를 정리해 보았다. 추후 더 많은 정보를 알게 되거나 새로운 정보를 알게 되면 다시 정정할 가능성이 높은 리스트 이니 참고만 하시기 바란다.




출처 : Wiki/NASA

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