이전에도 언급한 바 있지만 지구에서 약 129 광년 정도 떨어진 젊은 별인 HR 8799 는 (이전 포스트 http://blog.naver.com/jjy0501/100159522955 참조) 직접 이미지를 얻은 몇 안되는 외계 행성 시스템 입니다. 대개 외계 행성 한개의 직접 이미지를 얻는 것도 어렵지만 이 HR8799 는 독특한 조건 덕에 4 개나 되는 외계 행성의 사진이 확보된 케이스 입니다.
이 네개의 외계 행성은 태양 보다 5 배 정도 밝은 모성에서 아주 적당한 위치에 존재하며 그 크기 또한 목성 질량의 5-7 배 정도로 매우 큰 편이기 때문에 지구에서도 관측이 용이합니다. 여기에 지구에서 관측할 때 위에서 내려다보는 수직 방향이므로 네개의 공전하는 행성의 위치를 정확하게 잡을 수 있습니다.
(켁 망원경으로 관측된 HR8799 의 네개의 행성 This is an up to date image of the HR8799 planetary system from the December 2010 press release. To be used on the HR8799 page. From W. M. Keck Observatory. Ben Zuckerman)
HR 8799 자체는 대략 3000 만년 에서 1 억년이 조금 넘는 나이를 지닌 생긴지 얼마되지 않은 별입니다. 질량은 태양의 1.47 배 수준이지만 질량이 조금만 증가해도 연소 되는 연료는 크게 증가하기 때문에 그 밝기는 대략 태양의 5 배 정도입니다.
| Companion (in order from star) | Mass | Semimajor axis (AU) | Orbital period (years) | Eccentricity | Radius |
|---|---|---|---|---|---|
| e | 7+3 −2 MJ | 14.5 ± 0.5 | ~45 | ? | ? RJ |
| d | 7+3 −2 MJ | 24±0 | ~100 | >0.04 | 1.2+0.1 −0 RJ |
| c | 7+3 −2 MJ | 38±0 | ~190 | ? | 1.2+0.1 −0 RJ |
| b | 5+2 −1 MJ | 68±0 | ~460 | ? | 1.2+0.1 −0.1 RJ |
| Dust disk | 6–1000 AU | ||||
HR 8799 의 행성 시스템은 지금까지 발견된 다른 거대 목성형 외계 행성과는 달리 모성에서 다소 멀리 떨어져 있습니다. 가장 멀리 있는 행성부터 발견되었기 때문에 알파벳 순서대로 위치가 가까워지는데 가장 가까이 있는 HR8799e 의 경우에도 14.5 AU 정도 거리입니다. 그 공전 궤도를 볼 때 e,d,c 는 4:2:1 의 궤도 공명 상태인 것으로 보입니다.
스피처 우주 망원경의 관측에 의하면 이 HR 8799 에는 과거 생각했던 것 보다 더 거대한 먼지 구름을 가지고 있다는 것이 밝혀졌습니다. 가장 가까이에 있는 먼지 구름의 경우 150K 까지 비교적 따뜻한 먼지 구름을 가지고 있으며 이들은 행성과 4:1 이나 2:1 정도 궤도 공명을 하고 있을 것으로 추정됩니다. 그 외에도 먼지구름은 매우 크게 퍼져있어 그 범위는 6 AU 에서 1000 AU (즉 1500 억 km) 에 달하는 것으로 추정됩니다. 그렇다면 아직 우리가 발견하지 못했을 뿐이지 이런 먼지 구름들 사이에서 더 다양한 행성들이 탄생했을 가능성이 있으며 HR 8799 의 행성 시스템은 우리의 상상 이상으로 복잡할 지도 모릅니다.
(스피처 우주 망원경의 적외선 이미지, 가운데의 작은 동그라미가 명왕성의 공전궤도이고 먼지 디스크 자체의 지름은 2000 AU (약 3000 억 km) 에 달함. Spitzer space telescope, NASA )
(HR 8799 의 아티스트 이미지. 먼지 구름과 동시에 여러개의 행성급 천체와 소행성들이 존재할 가능성이 있음 Artist’s rendering of the planetary system HR 8799 at an early stage in its evolution, showing the planet HR 8799c, as well as a disk of gas and dust, and interior planets. (Credit: Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics; Mediafarm) )
비록 HR8799 의 행성 시스템이 태양계와 다르긴 하지만 초기 태양계의 생성이 어떻게 진행되는지를 우리에게 실시간으로 알려준다는 점에서 45 억년 전의 태양계가 어떤 모습이었는지 알려주는 단서가 될 수 있습니다. 현재도 이 외계 행성 시스템에서는 가스와 먼지가 모여 행성이 형성되는 것으로 추정됩니다.
최근에 밝혀진 또 한가지 중요한 사실은 외계 행성의 대기 스펙트럼 분석입니다. 지금까지 외계 행성의 스펙트럼까지 얻어진 경우 - 스펙트럼을 얻으면 구성 물질을 추정할 수 있음 - 는 극히 드문데 HR8799 가 바로 그 드문 사례에 속합니다. 최근 HR 8799c 의 가장 상세한 스펙트럼을 분석한 퀸 코노팍키 (Quinn Konopacky, Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics, University of Toronto ) 을 비롯한 천문학자들은 거대 가스 행성 형성에 대한 가설을 테스트할 기회를 얻었습니다.
core accretion model 에 의하면 이렇게 모항성으로 부터 떨어진 행성들이 형성될 때 거대한 가스 디스크의 온도가 떨어지면서 얼음이 형성되며 이때 주변 가스는 산소의 함량이 떨어지게 되는 것으로 되어 있습니다. 왜냐하면 상대적으로 수소는 많지만 산소는 적기 때문에 온도가 떨어지면서 수소와 산소가 물 분자를 형성하고 얼음 입자를 형성하고 나면 가스속에는 산소의 함량만 크게 감소하게 됩니다. 물과 더 비중이 높은 먼지들은 서로 중력으로 뭉쳐 핵을 형성한 후에 중력이 커지면 주변의 가스를 흡수하게 되는데 이 과정을 거친 가스는 산소의 비중이 낮을 것으로 예측할 수 있습니다. 그 결과 새로 형성된 거대 가스 행성의 대기 속의 탄소/산소 비는 매우 높게 됩니다.
실제 분석된 스펙트럼은 여기에 근접하는 결과를 보여주어 주목되고 있습니다. 위의 가스 행성 형성 가설은 지구처럼 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 위치에서 형성된 행성의 형성 모델과는 다른데 이를 구체적으로 입증할 증거는 지금까지 부족했습니다. 따라서 앞으로 이 행성계에 대한 연구 결과가 주목됩니다. HR 8799 는 태양계 형성의 초기 역사에 단서를 제공하는 타임머신으로 앞으로도 흥미로운 연구 대상이 될 것으로 보입니다.
참고
Journal Reference:
- Quinn M. Konopacky, Travis S. Barman, Bruce A. Macintosh, and Christian Marois. Detection of Carbon Monoxide and Water Absorption Lines in an Exoplanet Atmosphere. Science, 14 March 2013 DOI:10.1126/science.1232003
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