우주 이야기 867 - 역대 가장 빠른 속도로 증발하는 외계 행성

(This artist’s illustration shows a giant cloud of hydrogen streaming off a warm, Neptune-sized planet just 97 light-years from Earth. The exoplanet is tiny compared to its star, a red dwarf named GJ 3470. The star’s intense radiation is heating the hydrogen in the planet’s upper atmosphere to a point where it escapes into space. The alien world is losing hydrogen at a rate 100 times faster than a previously observed warm Neptune whose atmosphere is also evaporating away. Credit: NASA, ESA, and D. Player (STScI))

(This graphic plots exoplanets based on their size and distance from their star. Each dot represents an exoplanet. Planets the size of Jupiter (located at the top of the graphic) and planets the size of Earth and so-called super-Earths (at the bottom) are found both close and far from their star. But planets the size of Neptune (in the middle of the plot) are scarce close to their star. This so-called desert of hot Neptunes shows that such alien worlds are rare, or, they were plentiful at one time, but have since disappeared. The detection that GJ 3470b, a warm Neptune at the border of the desert, is fast losing its atmosphere suggests that hotter Neptunes may have eroded down to smaller, rocky super-Earths. Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI))

 과학자들이 역대 가장 빠른 속도로 증발하는 외계 행성을 포착했습니다. 존스 홉킨스 대학의 데이빗 싱 교수 (David Sing, Bloomberg Distinguished Professor at Johns Hopkins)가 이끄는 연구팀은 지구에서 96광년 떨어진 적색왜성 주변을 공전하는 외계 행성 GJ 3470b이 매우 빠른 속도로 증발해 수십 억년 이내로 크기가 절반으로 줄 것이하는 사실을 발견했습니다. 이 연구는 뜨거운 해왕성이 드문 이유에 대해서도 설명해주고 있습니다. 

 과학자들은 수천 개 이상의 외계 행성을 발견했고 이 가운데 해왕성 크기의 행성 역시 여럿 발견했지만, 모항성에서 가까운 거리에 있는 뜨거운 행성은 대부분 목성 크기나 아니면 지구보다 큰 사이즈가 대부분입니다. 당연히 생각할 수 있는 설명 중 하나는 해왕성 크기의 행성이 증발해 가스를 잃어 더 작은 행성이 됐다는 것입니다. 하지만 지금까지 발견된 외계 행성의 증발 속도는 그렇게 빠르지 않았습니다. 

 이번에 발견된 GJ 3470b는 비슷한 크기의 외계 행성 GJ 436b보다 100배나 빨리 증발해 물질을 잃고 있습니다. 대략 20억년 된 이 행성은 이미 질량의 35%를 잃은 것으로 보이며 지구만큼 나이를 먹으면 다시 절반 이하로 줄어 가지고 있는 가스를 대부분 잃을 기능성이 있습니다. 그 결과 남게되는 것은 밀도가 높은 슈퍼 지구형 행성일지도 모릅니다. 목성처럼 큰 외계 행성은 강한 중력으로 증발하는 가스를 잡을 수 있겠지만, 해왕성급 행성의 경우에는 어려울지 모릅니다. 

 이 연구는 허블 우주 망원경을 이용한 Panchromatic Comparative Exoplanet Treasury (PanCET) 연구의 일부로 진행됐는데 행성의 증발은 당연히 관측이 어렵지만, 자외선 영역에서 행성에서 빠져나오는 뜨거운 가스를 확인할 수 있습니다. 다만 150광년 이내의 가까운 별만 관측이 가능하다는 단점이 있습니다. 이 한계를 극복하기 위해서는 제임스 웹 우주 망원경 (JWST) 같은 차세대 망원경의 힘이 필요합니다. JWST가 발사되면 우리는 새로운 사실을 많이 알아낼 수 있을 것입니다. 

 참고 

V. Bourrier et al. Hubble PanCET: an extended upper atmosphere of neutral hydrogen around the warm Neptune GJ 3470b, Astronomy & Astrophysics (2018). DOI: 10.1051/0004-6361/201833675 

 https://phys.org/news/2018-12-hubble-far-away-planet.html#jCp