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2012년 11월 21일 수요일

우주 이야기 127 - 가장 큰 외계 행성 ?



(카파 안드로메다 b 의 아티스트 컨셉.  The "super-Jupiter" Kappa Andromedae b, shown here in an artist's rendering, circles its star at nearly twice the distance that Neptune orbits the sun. With a mass about 13 times Jupiter's, the object glows with a reddish color. Credit: NASA's Goddard Space Flight Center/S. Wiessinger ) 
 
 카파 안드로메다 (Kappa Andromedae // κ Andromedae ) 는 겉보기 등급이 4 등급 정되되는 별로 지구에서 약 168 광년 정도 떨어져 있습니다. 대략 태양 질량의 2.5 배 정도되는 준거성으로 (분광형 B9 IVn ) 카파 안드로메다는 빠르게 자전하는 것으로도 (자전 속도가 초속 176 km) 잘 알려져 있는데 최근에 이 별 근처에서 생각하지 않았던 것이 발견되었습니다. 


 그것은 바로 외계 행성입니다. 카파 안드로메다 b (Kappa Andromedae b) 라고 명명된 이 외계 행성은 간접적인 방법이 아니라 직접 관찰에 의해서 그 존재가 밝혀졌습니다. 지금까지 직접 이미지를 얻은 외계 행성은 10 개 내외 정도 입니다.  


 일본, 미국, 독일, 스페인 등 여러 나라의 천문학자로 구성된 다국적 연구팀은 카파 안드로메다에서 약 55 ± 2 AU 정도 떨어진 거리에서 일본의 스바루 망원경의 AO188, HiCIAO 등 관측 장비를 활용해서 6 개월 간격으로 관측한 끝에 그 이미지를 직접 얻어내는데 성공했습니다. 이 관측을 통해 천문학자들은 카파 안드로메다 b 의 비교적 정확한 궤도와 크기, 질량, 표면 온도를 알아냈는데 이 결과는 사실 애매한 범위에 있었습니다. 왜냐하면 이게 큰 가스 행성인지 작은 갈색 왜성인지 판단하기 어려운 경우이기 때문이죠.



( 카파 안드로메다 b 의 실제 관측 모습.  This false-color near-infrared image has been processed to remove most of the scattered light from the star Kappa Andromedae (masked out at center). The "super-Jupiter" companion, Kappa Andromedae b (upper left), lies at a projected distance of about 55 times the average distance between Earth and the sun and about 1.8 times farther than Neptune, whose orbit is shown for comparison (dashed circle). The white region marking the companion indicates a signal present in all near-infrared wavelengths, while colored blobs represent residual noise. The Subaru Telescope in Hawaii captured the image in July. Credit: NOAJ/Subaru/J. Carson, College of Charleston ) 


 카파 안드로메다 b 는 거대 목성 (Super Jupiter) 라고 기사에 주로 소개되긴 했지만 연구팀은 논문에서 이것이 거대 목성인지 혹은 작은 갈색 왜성인지를 두고 고민하고 있습니다. 왜냐하면 경계에 딱 걸리는 크기이기 때문이죠. 카파 안드로메다 b 의 질량은 목성 질량의 12.8 수준으로 생각되는데 오차 범위에서 갈색 왜성의 가장 낮은 질량 범위인 목성 질량의 13 배에 들어갈 수 있습니다. 이정도 질량이면 이 천체는 내부에서 중수소를 이용한 핵융합 반응으로 에너지를 스스로 만들어낼 수 있습니다. 비록 그 에너지는 스스로 빛나는 별이라고 부르기엔 미약할 수도 있지만 아무튼 에너지를 스스로 만들어내기는 하겠죠. 


 카파 안드로메다 b 의 표면온도는 모성에서 멀리 떨어진 행성 치고는 약간 높은 1700 K 입니다. 따라서 실제로 육안으로 본다면 목성이나 토성같은 색이 아니라 붉은 색으로 보일 것입니다. 실제 핵융합 반응이 약간이라도 일어나는지에 대해서는 현재 데이터로는 확언할 수 없지만 연구팀은 이 행성의 질량의 중수소 핵융합 반응을 일이키는 한계 보다 약간 낮을 가능성이 높다고 생각하고 있습니다. 그렇다면 갈색 왜성 보다는 거대 목성일 가능성이 있습니다. 그런데 연구팀은 그것보다 더 중요한 내용이 카파 안드로메다 b 에 숨어 있다고 생각하고 있습니다. 


 행성 형성 이론에 따르면 별이 커짐에 따라 행성을 형성할 재료도 많아지게 되지만 어느 정도 이상 크기가 되면 모항성의 강력한 항성풍 때문에 주변의 원시 행성계 원반 (proto planetary disk) 이 대부분 날아가 거대 항성에서는 행성이 형성되기 힘들다고 생각하고 있습니다. 그러나 카파 안드로메다 b 의 경우 비교적 큰 질량인 태양의 2.5 배 정도 되는 별 주변에서도 꽤 큰 외계 행성이 생성될 수 있다는 것을 시사하고 있습니다. 


 이는 이전에 발견된 거대 외계 행성들을 거느린 항성 HR 8799 ( http://blog.naver.com/jjy0501/100159522955 ) 과 함께 태양보다 훨씬 큰 별에서도 거대 행성이 형성될 가능성이 있다는 것을 시사하는 내용일 수도 있습니다. 그렇다면 기존의 행성 생성 모델에 대한 검토가 필요하다고 할 수 있습니다. 물론 카파 안드로메다 b 가 원시 행성계 원반에서 모성과 같은 시기에 생겼다는 점이 (즉 포획된 천체가 아니라는 점이) 확실해야 겠지만 말이죠. 


 지금까지 발견된 상당수의 외계 행성들은 태양과 비슷한 질량이거나 혹은 그보다 작은 적색 왜성에서 발견되었습니다. 보다 큰 별들에서 행성이 발견될 가능성에 대해서 점차 검토가 될 것으로 생각됩니다. 한편 여전히 목성 질량의 13 배 정도 되는 외계 행성을 발견할 경우 이것을 거대 목성으로 볼 것인지 혹은 작은 갈색 왜성으로 볼 것인지는 한동안 논란이 될 것으로 생각됩니다.     



 참고 


Carson et al. Astrophysical Journal Letters (November 2012). "Direct Imaging Discovery of a ‘Super-Jupiter’ Around the late B-Type Star κ And". arXiv:1211.3744





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