우주 이야기 891 - 실험실에서 재현된 뜨거운 목성의 대기

(Credit: NASA/JPL-Caltech)

 우주에는 태양계에서 볼 수 없는 독특한 행성들이 다수 존재합니다. 과학자들에게 외계 행성 탐사 초기부터 그 존재를 알려온 뜨거운 목성형 행성도 그 가운데 하나입니다. 목성보다 큰 질량을 지녔지만, 모항성에 매우 가까운 거리에서 공전해서 표면 온도가 섭씨 1000도 이상인 뜨거운 목성 중 일부는 항성풍과 높은 열에 의해 대기가 벗겨지는 경우도 있다고 생각되고 있습니다. 

 과학자들은 최신 관측 기술을 통해 뜨거운 목성의 대기에 대한 연구를 진행하고 있지만, 동시에 지구에서 시뮬레이션과 실험을 통해서 그 성질을 같이 연구하고 있습니다. 머티 쿠디파티(Murthy Gudipati)가 이끄는 나사 JPL의 과학자들은 실험실에서 뜨거운 목성의 대기를 재현했습니다. 

 연구팀은 대부분이 수소로 되어 있는 가스에 일산화탄소 0.3% 등 혼합물을 섞고 섭씨 330-1230도 사이로 가열했습니다. 하지만 열만으로는 뜨거운 목성형 행성의 대기를 완전히 재현하기 어렵습니다. 항성에서 나오는 강력한 자외선을 포함한 방사선이 있기 때문입니다. 따라서 연구팀은 강한 자외선을 이용해서 비슷한 환경을 만들고 화학 반응을 조사했습니다. 

 기본적으로 이런 행성의 대기는 수소, 헬륨이 대부분이지만, 목성에서 볼 수 있듯이 메탄이나 물, 암모니아 같은 다양한 원소도 같이 존재합니다. 높은 온도와 자외선에 의해 화학 반응이 일어나면 더 복잡한 분자가 생성되었다가 다시 파괴되는 일이 반복될 것입니다. 에를 들어 수소와 일산화탄소가 반응한 결과로 물 분자가 생성될 수 있습니다. 

 이번 실험실 연구는 뜨거운 목성형 외계 행성의 대기를 사전에 조사하고 이론적인 예측을 하기 위한 것입니다. 현재까지는 극히 일부 외계 행성의 대기만 확인했지만, 앞으로 발사될 제임스 웹 우주 망원경이 본격적인 관측에 들어가면 더 많은 뜨거운 목성형 외계 행성의 대기를 확인할 수 있을 것입니다. 물론 이런 행성에서는 생명체가 살 수 없지만, 태양계 이외의 장소에 있는 행성의 대기 구성물질을 알 수 있다면 외계 행성계의 구성 물질에 대해서 더 자신있게 말할 수 있을 것입니다. 

 참고 

Benjamin Fleury et al. Photochemistry in Hot H2-dominated Exoplanet Atmospheres, The Astrophysical Journal (2019). DOI: 10.3847/1538-4357/aaf79f 

https://phys.org/news/2019-03-cooking-alien-atmospheres-earth.html