우주 이야기 1186 - 독특한 대기 구조가 밝혀진 뜨거운 목성

(An artist’s concept of a “Hot Jupiter” extrasolar planet. Credit: NASA/JPL-Caltech)

목성 같은 가스 행성이지만, 모성에 매우 가까운 거리에서 공전하는 뜨거운 목성형 행성은 우주에 흔하지만, 태양계에는 존재하지 않는 행성입니다. 따라서 과학자들은 그 특징을 연구하는데 어려움을 겪고 있습니다. 하지만 MIT의 연구팀은 허블 우주 망원경에 설치된 분광형 카메라의 도움으로 외계 행성 WASP-121b 대기 구조를 상세히 파악하는데 성공했습니다.

WASP-121b는 지구에서 850광년 떨어진 뜨거운 목성형 행성으로 2015년 발견했습니다. 이 행성은 공전 주기가 30시간에 불과해 공전 주기가 가장 짧은 행성으로도 잘 알려져 있습니다. 이 행성에 대해서는 많은 연구가 진행됐습니다.

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매우 가까운 공전 거리 때문에 WASP-121b는 조석 고정이 되어 있어 항상 낮인 부분과 밤인 부분이 존재합니다. 연구팀은 WASP-121b의 물 순환이 지구와는 완전 다르게 일어난다는 사실을 확인했습니다. 낮인 지역에서 물은 3000K의 고온에서 수소와 산소로 분해된 후 초속 5km의 고속으로 이동해 밤인 지역에서 다시 물로 결합하는 방식입니다.

물론 물 분자만 존재하는 것이 아니라 철, 티타늄, 강옥석 (corundum) 같은 물질도 존재하며 이들 역시 낮인 지역에서 기화되었다 밤인 지역에서 액체로 응결됩니다. 연구팀은 이 분자들이 루비나 사파이어 결정도 될 수 있을 것으로 보고 있습니다.

이보다 더 흥미로운 사실은 고도에 따른 기온 변화를 확인했다는 것입니다. 낮인 지역은 가장 높은 고도에서 3500K, 그리고 관측이 가능한 가장 깊은 고도에서는 2500K인 반면 밤인 지역은 가장 높은 고도에서 1500K, 가장 깊은 고도에서 1800K로 기온 역전이 일어났습니다. 이는 행성 규모의 대류 현상은 물론 지구처럼 높이에 따른 기온 역전도 가능하다는 점을 시사한다는 점에서 매우 흥미로운 관측 결과입니다.

외계 행성 대기 연구는 현존하는 최고의 망원경으로도 제한적으로만 가능합니다. 하지만 올해 관측에 들어갈 제임스 웹 우주 망원경이 본격적으로 관측을 시작하면 훨씬 많은 사실을 밝혀낼 수 있을 것으로 기대됩니다.

참고

https://phys.org/news/2022-02-hot-jupiter-dark-side-revealed.html

Thomas Mikal-Evans, Diurnal variations in the stratosphere of the ultrahot giant exoplanet WASP-121b, Nature Astronomy (2022). DOI: 10.1038/s41550-021-01592-w. www.nature.com/articles/s41550-021-01592-w

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