(This is an artist's impression of the Earth-sized, rocky exoplanet GJ 1132 b, located 41 light-years away around a red dwarf star. Scientists using NASA's Hubble Space Telescope have found evidence this planet may have lost its original atmosphere but gained a second one that contains a toxic mix of hydrogen, methane and hydrogen cyanide. Hubble detected the "fingerprints" of these gases as the parent star's light filtered through the exoplanet's atmosphere. The planet is too far away and too dim to be photographed by Hubble. This illustrates what astronomers believe is going on at this remote world. Beneath the planet's smoggy, hazy atmosphere, there may be a thin crust only a few hundred feet thick. Molten lava beneath the surface continually oozes up through volcanic fissures. Gases seeping through these cracks seem to be constantly replenishing the atmosphere, which would otherwise be stripped away by blistering radiation from the planet's close-by star. The gravitational pull from another planet in the system likely fractures GJ 1132 b's surface to resemble a cracked eggshell. This is the first time a so-called "secondary atmosphere" has been detected on a planet outside of our solar system. Credit: NASA, ESA, and R. Hurt (IPAC/Caltech))
(This plot shows the spectrum of the atmosphere of an Earth-sized, rocky exoplanet, GJ 1132 b. The orange line represents the model spectrum. In comparison, the observed spectrum is shown as blue dots representing averaged data points, along with their error bars. This analysis is consistent with GJ 1132 b being predominantly a hydrogen atmosphere with a mix of methane and hydrogen cyanide. The planet also has aerosols which cause scattering of light. This is the first time a so-called "secondary atmosphere," which was replenished after the planet lost its primordial atmosphere, has been detected on a world outside of our solar system. Credit: NASA, ESA, and P. Jeffries (STScI))
과학자들이 허블 우주 망원경을 이용해서 본래 대기를 모두 잃어버린 외계 행성이 화산 활동을 통해 다시 대기를 생성한 장면을 목격했습니다. 지구에서 41광년 떨어진 외계 행성 GJ 1132b는 본래는 해왕성보다 작은 준 가스형 행성으로 태어난 것으로 생각됩니다. 하지만 모항성에 너무 가까운 궤도 덕분에 태어난 지 1억년 이내에 수소와 헬륨으로 된 외부층을 모두 날려보냈습니다. 이 외계 행성은 45억년 정도 되었기 때문에 과학자들은 전혀 대기가 없을 것으로 예상했습니다.
하지만 허블 우주 망원경 관측 데이터는 놀라운 결과를 보여줬습니다. GJ 1132b가 수소, 메탄, 사이안화 수소 (hydrogen cyanide, HCN)로 된 독성 대기를 지니고 있었기 때문입니다. (두 번째 사진 참조) 이 대기 구성은 이 행성이 본래 가진 대기가 아니라 화산 활동에 의해 이차적으로 생성되었다고 해석하면 설명이 가능합니다.
GJ 1132b는 본래 암석핵을 지닌 준해왕성 (sub-Neptune)형 행성으로 태어났으나 가까운 위치에서 가스를 계속 잃은 결과 암석핵이 드러난 경우입니다. 공교롭게도 그 크기나 나이는 지구와 거의 흡사합니다. 하지만 지구가 한 때 준해왕성급 행성이었는데, 가스를 잃어버렸을 가능성은 희박합니다. 그러기엔 태양과의 거리가 너무 멀기 때문입니다.
아마도 GJ 1132b가 뜨거운 목성형 행성처럼 질량이 많았다면 대기를 잃지 않았을 수도 있습니다. 하지만 가스 행성 가운데 가장 중력이 약한 경우이기 때문에 결국 대기를 잃어버린 것으로 보입니다. 흥미로운 사실은 이 행성이 공전 주기가 1.5일에 불과한데도 타원형 궤도를 돌고 있는데, 이는 중력을 행사하는 다른 행성이 있다는 이야기입니다. 결국 GJ 1132b는 주변 행성과 모항성의 중력 간섭으로 조석 작용이 일어나 목성의 위성 이오처럼 내부에 막대한 열이 발생합니다. 그 결과 화산 활동에 의한 2차 대기가 생성된 것입니다.
아마도 이오가 질량이 지구만큼 컸다면 이오 역시 두꺼운 대기를 지닌 위성이 되었을지도 모릅니다. 우리는 먼 우주에서 이오형 행성을 포착한 셈입니다. 제임스 웹 우주 망원경을 포함한 차세대 망원경이 본격 활약하면 이런 흥미로운 이야기들이 더 많이 보고될 것입니다.
참고
Detection of an Atmosphere on a Rocky Exoplanet. arXiv:2103.05657 [astro-ph.EP] arxiv.org/abs/2103.05657
https://phys.org/news/2021-03-earth-sized-exoplanet-lost-atmosphere-gained.html
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