(Illustration of the mini-Neptune TOI 560.01, located 103 light-years away in the Hydra constellation. The planet, which orbits closely to its star, is losing its puffy atmosphere and may ultimately transform into a super-Earth. Credit: W. M. Keck Observatory/Adam Makarenko)
과학자이 발견한 외계 행성 중 상당수는 태양계에는 존재하지 않는 것들이었습니다. 예를 들어 해왕성보다 작은 가스 행성인 미니 해왕성과 지구보다 큰 암석 행성인 슈퍼 지구가 그것입니다. 그런데 슈퍼 지구와 미니 해왕성은 묘하게 겹치는 부분이 있어 일부 슈퍼 지구는 미니 해왕성이 진화한 것이 아닌가 생각하는 연구자들도 있었습니다. 모항성에 가까운 미니 해왕성이 강력한 항성풍에 의해 가스를 잃고 핵이 노출되면서 슈퍼 지구가 되었다는 가설입니다.
칼텍의 마이클 장 (Michael Zhang)이 이끄는 연구팀은 W. M. Keck 망원경과 허블 우주 망원경을 이용해 두 개의 미니 해왕성에서 실시간으로 가스가 사라지는 과정을 연구했습니다. 우선 켁 망원경으로 관측한 TOI 560는 103광년 떨어진 별로 TOI 560.01라는 미니 해왕성급 행성을 지니고 있습니다. 그리고 허블 우주 망원경으로 관측한 HD 63433는 73광년 떨어진 별로 HD 63433 c라는 미니 해왕성을 지니고 있습니다.
연구팀은 이 가운데 TOI 560.01에서 정말 상상하지 못했던 관측 결과를 얻었습니다. 0.06AU에 불과한 거리에서 공전하는 행성의 가스가 항성풍에 의해 별에서 먼 방향으로 흘러가는 것이 아니라 오히려 별 쪽으로 이동했던 것입니다. 행성의 가스가 별로 흡수되는 셈인데, 이는 매우 가까운 거리 때문으로 생각됩니다.
HD 63433 c의 관측 결과 역시 흥미로웠는데, 이 행성에서 빠져나가는 가스는 주로 수소였습니다. 반면 TOI 560.01는 헬륨이 주를 이뤘습니다. TOI 560.01는 이미 가벼운 수소가 소실된 상태로 이미 가지고 있는 가스의 상당 부분을 잃었다는 해석이 가능합니다. 더 진행될 경우 결국 헬륨 마져도 사라져 거의 가스가 없는 슈퍼 지구의 행태가 될 가능성이 높습니다. HD 63433 c보다 안쪽에 있는 HD 63433 b는 이미 그런 상태로 생각됩니다.
이번 연구는 행성이 처음 생성된 상태 그대로 계속 유지되는 것이 아니라 시간이 지나면서 다른 형태로 바뀔 수 있음을 보여줬다는 점에서 의미가 있습니다. 앞으로 더 강력한 망원경을 통해 관측할 경우 구체적으로 얼마나 많은 가스를 잃으면서 언제쯤 슈퍼 지구로 진화할지 역시도 알 수 있을 것으로 생각됩니다.
참고
https://phys.org/news/2022-02-puffy-planets-atmospheres-super-earths.html
Michael Zhang et al, Escaping Helium from TOI 560.01, a Young Mini-Neptune, The Astronomical Journal (2022). DOI: 10.3847/1538-3881/ac3fa7
Michael Zhang et al, Detection of Ongoing Mass Loss from HD 63433c, a Young Mini-Neptune, The Astronomical Journal (2022). DOI: 10.3847/1538-3881/ac3f3b
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