우주 이야기 1252 - 뜨거운 목성의 운명은?

 (This artist’s impression shows an ultra-hot exoplanet as it is about to transit in front of its host star. Using the ESPRESSO instrument of ESO’s Very Large Telescope, astronomers have found the heaviest element yet in an exoplanet's atmosphere, barium, in the two ultra-hot Jupiters WASP-76 b and WASP-121 b. Credit: ESO)

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(This image tracks the life of a sun-like star, from its birth on the left side of the frame to its evolution into a red giant star on the right. Credit: ESO/M. Kornmesser)

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과학자들은 모항성에 너무 가까운 위치에 있는 목성급 가스 행성인 뜨거운 목성형 행성들을 여럿 발견했습니다. 물론 관측 기술의 한계로 당연히 모항성에 가깝고 크기가 큰 행성을 먼저 찾았던 것이긴 하지만, 그럼에도 어떻게 이런 행성이 있을 수 있는지는 과학자들에게 미스터리였습니다. 지배적인 가설은 본래 얼음이 어는 먼 궤도에서 형성된 가스 행성이 어떤 이유로 인해 궤도에서 이탈하면서 가까이 전이되었다는 것입니다. 하지만 그렇다면 이렇게 가까운 궤도로 전이된 목성형 행성의 최후는 어떻게 되는 것일까요?

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이 질문에 대한 답을 찾기 위해 모나쉬 대학의 마이크 라우 (Mike Lau, a Ph.D. student at Monash University's School of Physics & Astronomy)와 Compact Object Mergers: Population Astrophysics and Statistics (COMPAS) 컨소시엄의 과학자들은 정교한 컴퓨터 시뮬에이션을 진행했습니다. 그 결과 관측 내용을 설명할 수 있는 결과를 얻었습니다.

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태양 같은 별은 마지막 단계에서 크게 부풀어오르면서 표면 온도는 떨어져 적색거성이 됩니다. 그러면 가까이 있는 가스 행성은 결국 대기권이 진입한 인공 위성처럼 점점 궤도가 낮아져 별에 흡수되는 운명을 맞습니다. 그런데 목성 보다 큰 거대 가스 행성이기 때문에 흡수되는 과정에서 모항성에 상당한 영향을 미치게 됩니다. 모항성의 자전 속도는 빨라지고 여러 가지 물질이 첨가되면서 화학적 구성이 변하게 됩니다.

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연구팀은 이 시뮬레이션 결과가 일부 적색거성에서 빠른 자전 속도와 독특한 화학적 구성을 설명할 수 있다고 보고 있습니다. 다만 더 정확한 결론을 내리기 위해서는 실제 흡수되는 가스 행성을 확인해야 합니다. 이 일은 제임스 웹 우주 망원경이나 현재 건설 중인 30m 급 차세대 지상 망원경의 몫이 될 것으로 보입니다.

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여담으로 태양계의 토성과 목성은 아마도 적색거성 단계에서 살아남겠지만, 지구의 운명은 다소 불분명합니다. 다시 별로 돌아갈지 아니면 영원한 어둠 속에서 백색왜성 주변을 공전하게 될지 궁금합니다.

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참고

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https://phys.org/news/2022-11-hot-jupiters-star-red-giant.html

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Mike Y. M. Lau et al, Hot Jupiter engulfment by a red giant in 3D hydrodynamics, arXiv (2022). DOI: 10.48550/arxiv.2210.15848

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