(Predicted cloud altitudes and compositions for a range of temperatures common on hot Jupiter planets. The range, in Kelvin, corresponds to about 800-3,500 degrees Fahrenheit, or 427-1,927 degrees Celsius. Credit: UC Berkeley image by Peter Gao)
뜨거운 목성형 행성은 태양계에는 존재하지 않지만, 우주에는 흔한 독특한 행성입니다. 대개 목성보다 큰 질량과 금성보다 뜨거운 온도를 지니면서 수성보다 모항성에 더 가까이 존재하는 뜨거운 목성형 행성은 초기 외계 행성 관측에서 가장 많이 발견된 형태의 외계 행성이기도 합니다. 물론 가장 흔한 형태의 행성이라서 그런 것은 아니고 관측 기술의 한계로 이런 형태의 외계 행성이 관측하기 가장 쉬웠기 때문입니다.
하지만 수천 개 이상의 외계 행성이 발견된 지금도 뜨거운 목성형 행성은 과학자들에게 매우 흥미로운 연구 대상입니다. 뜨거운 목성형 행성은 크기도 클 뿐 아니라 모항성에 가깝고 대기가 뜨거워 지구에서 스펙트럼을 분석하기 쉽습니다. 그래서 외계 행성의 대기 구성과 다른 행성계의 구성 물질을 연구하는 데 중요한 정보를 제공하고 있습니다. 하지만 모항성에 비해 행성에서 나오는 빛은 워낙 작기 때문에 별에서 나오는 파장과 종종 혼동을 일으켜 정확한 대기 구조를 이해하는 데 어려움이 있습니다.
캘리포니아 대학의 피터 가오 (Peter Gao, a postdoctoral fellow at the University of California, Berkeley)가 이끄는 연구팀은 금성 등 다른 행성의 대기 구조와 뜨거운 목성형 행성에 대한 관측 데이터를 이용해 뜨거운 목성형 행성의 대기 구조에 대한 모델을 만들었습니다. 이 모델은 2800K까지 고온 상태의 목성형 행성의 대기 상층부가 어떤 모습을 하고 있는지 설명해줍니다.
연구팀에 따르면 2200K 정도의 가장 뜨거운 목성형 행성의 대기 상층부에는 산화 알루미늄 (Al2O3)이나 이산화티타늄 (TiO2) 같이 지구에서는 광물로 존재하는 물질이 응결되어 구름을 형성할 수 있습니다. 산화 알루미늄은 강옥 (Corundum) 같은 광물의 구성하는 물질로 이 가운데 루비나 사파이어 같은 물질이 있습니다. 물론 그렇다고 구름이 루비나 사파이어처럼 보이지는 않지만, 이런 물질도 기화될 만큼 뜨겁다는 이야기입니다.
이보다 온도가 낮은 목성형 행성에는 규산염 (Silicates) 물질로 된 구름이 형성될 수 있습니다. 지구에서는 암석을 이루는 주요 물질인 규산염은 900-2000K 온도에서 중요한 대기 물질입니다. 이보다 온도가 낮은 상대적으로 덜 뜨거운 목성형 행성에서는 탄화수소가 자외선에 의해 긴 사슬을 형성해 탄화수소의 연무를 만듭니다. 동시에 포타슘이나 소듐으로 된 염(Salt)의 구름도 같이 형성될 수 있어 보다 복잡한 구조를 지니게 됩니다. 연구팀은 900-1400K나 혹은 2200K 이상의 고온 행성의 대기가 구름이 적어 연구가 가장 쉬울 것으로 예상했습니다.
다만 이 모델이 맞는지 검증하기 위해서는 보다 상세한 관측 결과가 필요합니다. 앞으로 발사될 제임스 웹 우주 망원경 같은 차세대 망원경이 등장하면 이 모델의 정확도를 더 분명하게 검증할 수 있을 것입니다.
참고
Peter Gao et al. Aerosol composition of hot giant exoplanets dominated by silicates and hydrocarbon hazes, Nature Astronomy (2020). DOI: 10.1038/s41550-020-1114-3
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