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우주 이야기 1357 - 외계 행성의 크기가 줄어든 이유는?



 (This artist’s concept shows what the sub-Neptune exoplanet TOI-421 b might look like. In a new study, scientists have found new evidence suggesting how these types of planets can lose their atmospheres. Credit: NASA, ESA, CSA, and D. Player (STScI))

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천문학자들은 5000개 이상의 외계 행성을 포착하고 이들의 물리적 특징을 확인하면서 한 가지 이상한 사실을 발견했습니다. 바로 지구보다 약간 큰 슈퍼지구형 행성과 해왕성보다 작은 미니 해왕성형 행성 사이 지구 지름 1.5 - 2배에 해당하는 행성이 별로 없다는 사실입니다.

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(This video explains the differences between the main types of exoplanets, or planets outside our solar system. Credit: NASA/JPL-Caltech)

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칼텍과 IPAC의 연구자인 제시 크리스티안센 (Caltech/IPAC research scientist Jessie Christiansen)이 이끄는 연구팀은 케플러 우주 망원경이 남긴 K2 데이터를 이용해 이 사이즈 갭을 설명할 수 있는 두 가지 가설을 검증했습니다.

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K2 임무: https://blog.naver.com/jjy0501/220004007375

https://blog.naver.com/jjy0501/221209988852

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연구팀에 따르면 중간 크기 행성이 시간이 지나면서 가스를 잃어버려 크기가 줄어든 것이 원인일 수 있습니다. 작은 행성일수록 중력이 낮아 가스를 쉽게 잃어버리는데, 아마도 그 임계점이 미니 해왕성보다 작은 크기일 수 있습니다.

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과학자들은 가스를 잃는 메커니즘에 대해 두 가지 가설을 갖고 있습니다. 첫 번째 가설은 핵동력 질량 소실 (Core-powered mass loss)입니다. 행성의 뜨거운 핵 때문에 가스를 잃는 다는 것입니다. 두 번째 가설은 모항성의 복사 에너지에 의해 조금씩 가스를 잃어버리는 광증발 (photoevaporation)입니다. 전자의 경우 많은 시간이 필요하고 후자의 경우 상대적으로 빠르게 일어날 수 있습니다.

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연구팀은 6-8억 년 된 성단인 프레세페 (Praesepe)와 히아데스 (Hyades)에서 거의 100% 준해왕성급 행성을 찾아냈습니다. 반면 8억년 이상 된 별에서는 25% 정도만 이런 행성을 지니고 있었습니다. 가스 증발이 광증발에 의해 빠르게 일어난 것이 아니라 행성의 핵에 의한 것임을 시사하는 대목입니다.

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이번 연구는 오래 전 퇴역한 케플러 우주 망원경 데이터가 아직도 현역이라는 점을 보여주고 있습니다. 그리고 웬만해선 임무를 포기할 상황에서도 어떻게든 방법을 찾아내는 일이 상당히 의미 있다는 점을 보여줍니다.

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호랑이가 죽어서 가죽을 남기 듯 케플러는 관측 데이터라는 보물을 인간에게 남긴 셈입니다.

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참고

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https://phys.org/news/2023-11-nasa-reveal-exoplanets.html

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Jessie L. Christiansen et al, Scaling K2. VII. Evidence For a High Occurrence Rate of Hot Sub-Neptunes at Intermediate Ages, The Astronomical Journal (2023). DOI: 10.3847/1538-3881/acf9f9

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