(Hubble’s observations of an extended region of charged carbon particles that surround the exoplanet HAT-P-11b and streaming away in a long tail are best explained by magnetic field, the first such discovery on a planet outside of our solar system. The planet is depicted as the small circle near the center. Carbon ions fill an immense region it. In the magnetotail, not shown to its full extent, ions escape at the observed average speeds of about 100,000 mph. 1 AU equals the distance between the Earth and the sun. Credit: Lotfi Ben-Jaffel/Institute of Astrophysics, Paris)
지구는 강력한 자기장에 의해 보호 받고 있습니다. 지구의 강한 자기장이 아니라면 태양풍에 상당한 대기를 잃어 지구 표면은 화성처럼 건조하고 대기가 희박한 환경이 되었을 수도 있습니다. 과학자들은 태양계 행성에 대한 연구 결과를 토대로 외계 행성 역시 강력한 자기장을 지니고 있을 것으로 예측했으나 이를 직접 관측하기는 어려웠습니다.
파리 천체 물리학 연구소의 로프티 벤-자펠(Lotfi Ben-Jaffel/Institute of Astrophysics, Paris)이 이끄는 연구팀은 허블 우주 망원경을 이용해 지구에서 130광년 떨어진 해왕성급 외계 행성인 HAT-P-11b의 자기권을 관측하는데 성공했습니다.
물론 자기장 자체는 망원경으로 보이지 않지만, 허블 망원경의 자외선 관측 능력을 이용해 자기장을 따라 움직이는 탄소 이온의 존재는 확인할 수 있습니다. HAT-P-11b는 목성 질량의 8%에 불과한 가스 행성이지만, 목성과 흡사한 강력한 자기장을 지녀 무려 1AU (1.5억km)에 달하는 거대한 자기 꼬리 (magnetotail)를 형성하고 있습니다.
이번 연구는 이론적으로 예측된 외계 행성의 자기권을 처음으로 직접 관측했다는 데서 큰 의의가 있습니다. 외계 행성의 자기권은 예상한 것처럼 시속 16만km로 이동하는 빠른 입자의 흐름에 의해 거대한 꼬리를 만들고 있었습니다. 태양계 행성과 비슷한 자기권을 외계 행성도 지니고 있었던 것입니다.
이것도 상당한 성과지만, 연구팀은 허블 관측 데이터에서 새로운 사실도 발견했습니다. 태양계에서 목성이나 토성 같은 거대 가스 행성은 금속 (리튬 보다 무거운 원소)의 비율이 낮은 반면 해왕성이나 천왕성은 높은 편입니다. 하지만 대기에서 날리는 물질을 분석하면 HAT-P-11b는 해왕성과 비슷한 크기에 목성과 비슷한 물질 구성을 지닌 것으로 나타났습니다. 왜 그런지는 앞으로 밝혀야할 과제이지만, 이 문제가 행성 생성 이론과도 연관이 있어 연구팀은 현재의 행성 생성 모델을 다시 검토해야 할 수 있다고 설명했습니다.
현재 관측 기술로는 지구 정도 크기의 외계 행성이 지구와 비슷한 자기장을 지니고 있는지 아니면 화성처럼 약한 자기장을 지니고 있는지 알 수 없습니다. 하지만 이번 앞으로 과학자들은 새로운 관측 장비와 기술을 통해 언젠가 지구형 외계 행성의 자기장을 밝혀낼 것입니다. 제 2의 지구를 찾기 위해서는 반드시 필요한 일이기 때문입니다.
참고
https://phys.org/news/2021-12-astronomers-signature-magnetic-field-exoplanet.html
Lotfi Ben-Jaffel et al, Signatures of strong magnetization and a metal-poor atmosphere for a Neptune-sized exoplanet, Nature Astronomy (2021). DOI: 10.1038/s41550-021-01505-x
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