Webb은 처음으로 바위가 많은 외계 행성에서 대기를 발견했습니다.

55 Cancri e의 용암으로 덮인 표면에서 상승하는 가스는 이산화탄소나 일산화탄소가 풍부한 대기를 공급할 수 있습니다.

요즘에는 지구에서 수십 광년, 심지어 수백 광년 떨어진 행성의 대기를 탐지하는 것이 별것 아닌 것처럼 보일 수도 있습니다. 과학자들은 지난 20년 동안 수십 개의 외계행성을 둘러싸고 있는 대기의 증거를 발견했습니다. 문제는 이 모든 행성이 상대적으로 연구하기 쉬운 두껍고 수소가 지배적인 대기를 가지고 있다는 것입니다. 일부 작은 암석 외행성을 둘러싸고 있는 얇은 가스 담요는 여전히 파악하기 어렵습니다.

연구자들은 암석으로 이루어진 행성을 둘러싸고 있는 풍부하고 불안정한 대기를 마침내 엿볼 수 있었다고 생각합니다. 뜨거운 부분에서 방출되는 빛은 매우 밝습니다. 외계행성 55 게자리 e는 행성 표면을 덮고 있는 광대한 용암 바다에서 흘러나오는 이산화탄소나 일산화탄소가 풍부한 대기에 대한 강력한 증거를 보여줍니다.

그 결과는 우리 태양계 외부에 암석질 행성의 대기가 존재한다는 최고의 증거입니다.

이 아티스트의 컨셉은 외계행성 55 게자리 e가 어떤 모습일지 보여줍니다. Janssen이라고도 불리는 55 Cancri e는 지구보다 훨씬 크지만 해왕성보다 작은 암석 행성인 소위 슈퍼 지구입니다. 해왕성은 단 140만 마일(0.015 AU) 거리에서 별을 공전하며 완전한 궤도를 완성합니다. 18시간 이내에. (수성은 자신의 별인 게자리 55 e보다 태양에서 25배 더 멀리 떨어져 있습니다.) 4개의 거대한 가스 행성을 포함하는 이 시스템은 게자리 방향으로 지구에서 약 41광년 떨어진 곳에 위치해 있습니다. 이미지 출처: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford(STScI)

웹 우주 망원경은 암석으로 이루어진 외계 행성 주변의 대기 가능성을 암시합니다.

연구자들이 사용하는 NASA‘에스 제임스 웹 우주 망원경 그들은 지구에서 41광년 떨어진 곳에 위치한 뜨겁고 암석이 많은 외계 행성인 게자리 55 e 주변의 대기 가스를 감지했을 수 있습니다. 이것은 우리 태양계 외부의 암석 행성에 대기가 있다는 최고의 증거입니다.

Renew는 NASA의 제트 추진 연구소 출신입니다(제트추진 연구실), 캘리포니아주 패서디나에서 5월 8일에 발표된 논문의 주 저자입니다. 자연. Hu는 “Webb은 외계 행성을 암석 행성으로 특성화하는 경계를 넓혔습니다.”라고 말했습니다. “그것은 정말로 새로운 종류의 과학을 가능하게 합니다.”

초고온 지구 55 게자리 E

얀센(Janssen)으로도 알려진 게자리 55 e는 게자리에 있는 태양과 같은 별 게자리 55를 공전하는 알려진 다섯 개의 행성 중 하나입니다. 지름이 지구의 두 배에 가깝고 밀도가 약간 더 큰 이 행성은 지구보다 크고 지구보다 작은 슈퍼지구로 분류됩니다. 해왕성그들은 아마도 우리 태양계의 암석 행성과 구성이 비슷할 것입니다.

그러나 55 Cancri e를 “바위 같다”고 묘사하면 잘못된 인상을 남길 수도 있습니다. 행성은 별 근처(약 140만 마일, 즉 수성과 태양 사이의 거리의 20/25) 근처에서 공전하고 있으며 표면은 녹아 있을 가능성이 높습니다. 즉 마그마가 끓어오르는 바다입니다. 이처럼 빡빡한 궤도를 가진 행성은 또한 조석 고정 상태일 가능성이 높으며, 낮 쪽은 항상 별을 향하고 밤 쪽은 영원한 어둠 속에 있습니다.

2011년 통과가 발견된 이후 수많은 관찰에도 불구하고 게자리 55 e에 대기가 있는지 여부에 대한 의문은 여전히 ​​남아 있습니다. ~할 수 있었다 그 중 하나는 높은 온도와 별에서 나오는 항성 방사선과 바람의 끊임없는 공격으로 인해 답을 얻지 못한 채 남아 있습니다.

이번 연구의 공동저자이자 뉴멕시코 대학의 외계행성 연구자인 다이애나 드라고미르(Diana Dragomir)는 “나는 이 행성에서 10년 넘게 연구해왔습니다.”라고 말했습니다. “우리가 받은 피드백 중 어느 것도 이러한 미스터리에 대한 확실한 해결책을 제시하지 못했다는 사실이 정말 실망스러웠습니다. 마침내 몇 가지 답변을 얻게 되어 기쁩니다.”

상대적으로 탐지하기 쉬운 거대 가스 행성의 대기와는 달리( 처음으로 공개됐는데요 NASA 제공 허블 우주 망원경 20년 이상 동안 암석질 행성을 둘러싸고 있는 더 얇고 밀도가 높은 대기는 여전히 파악하기 어렵습니다.

NASA의 현재 은퇴한 스피처 우주 망원경의 데이터를 사용한 게자리 55 e에 대한 이전 연구에서는 산소, 질소, 이산화탄소와 같은 휘발성 물질(지구에서 가스 형태로 발견되는 분자)이 풍부한 대규모 대기가 존재함을 시사했습니다. 그러나 연구자들은 실리콘, 철, 알루미늄, 칼슘과 같은 원소가 풍부한 증발된 암석으로 이루어진 깨지기 쉬운 담요를 제외하고는 행성이 비어 있다는 또 다른 가능성을 배제할 수 없었습니다. 호는 “행성은 너무 뜨거워서 녹은 암석 중 일부가 증발했을 것”이라고 설명했다.

이 광도 곡선은 게자리 55계의 알려진 다섯 행성 중 가장 가까운 암석 행성인 게자리 55 e가 별 뒤로 움직일 때의 게자리 55계의 밝기 변화를 보여줍니다. 이 현상을 2차 일식이라고 합니다.
행성이 별 근처에 있을 때 별과 행성의 낮 쪽에서 나오는 중적외선이 망원경에 도달하여 시스템이 더 밝게 보입니다. 행성이 별 뒤에 있으면 행성에서 나오는 빛은 차단되고 별의 빛만 망원경에 도달하게 되어 겉보기 밝기가 감소하게 됩니다.
천문학자들은 별과 행성의 밝기를 합친 것에서 별의 밝기를 빼서 행성의 낮 부분에서 나오는 적외선의 양을 계산할 수 있습니다. 그런 다음 이는 주간 온도를 계산하고 행성에 대기가 있는지 여부를 추론하는 데 사용됩니다.
이미지 출처: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted(STScI), Aaron Belo-Aroff(NASA-JPL)

적외선 색상의 미묘한 차이 측정

두 가지 가능성을 구별하기 위해 팀은 Webb의 NIRCam(근적외선 카메라)과 MIRI(중적외선 장비)를 사용하여 행성에서 나오는 4~12 마이크론 적외선을 측정했습니다.

Webb은 게자리 55 e의 직접적인 이미지를 얻을 수는 없지만 행성이 별 주위를 공전할 때 시스템에서 나오는 빛의 미묘한 변화를 측정할 수 있습니다.

행성이 별 뒤에 있을 때(별빛만 해당) 2차 일식(위 이미지 참조) 동안의 밝기를 행성이 별 바로 옆에 있을 때의 밝기(별과 행성의 빛 결합)에서 뺍니다. 행성의 낮 쪽에서 오는 적외선 광선의 다양한 파장의 양을 계산할 수 있었습니다.

2차 일식 분광학으로 알려진 이 방법은 다른 연구팀이 TRAPPIST-1 b와 같은 암석 외계 행성의 대기를 검색하기 위해 사용하는 방법과 유사합니다.

2022년 11월 Webb NIRCam(Near Infrared Camera)과 2023년 3월 MIRI(Mid-Infrared Instrument)로 포착한 열 방출 스펙트럼은 방출되는 적외선(x축)의 다양한 파장에 대한 밝기(y축)를 보여줍니다. 거대한 외계행성 55 게자리 e. 스펙트럼은 행성이 기화된 암석뿐만 아니라 이산화탄소나 일산화탄소 및 기타 휘발성 물질이 풍부한 대기로 둘러싸여 있을 수 있음을 보여줍니다.
그래프는 NIRCam(주황색 점)과 MIRI(보라색 점)로 수집한 데이터를 두 가지 다른 모델과 비교합니다. 모델 A(빨간색)는 게자리 55 e의 대기가 증발하는 암석으로 이루어진 경우의 방출 스펙트럼이 어떤 모습인지 보여줍니다. 파란색 모델 B는 지구 맨틀과 유사한 휘발성 함량을 지닌 마그마 바다에서 방출되는 휘발성이 풍부한 대기가 행성에 있는 경우 방출 스펙트럼이 어떻게 나타나는지 보여줍니다. MIRI 및 NIRCam 데이터는 휘발성이 풍부한 모델과 일치합니다.
행성(MIRI)에서 방출되는 중적외선의 양은 낮의 온도가 낮 쪽에서 밤 쪽으로 열을 분배하는 대기가 없을 때보다 낮 온도가 훨씬 낮다는 것을 보여줍니다. 4~5 미크론(NIRCam 데이터) 사이의 스펙트럼 딥은 대기 중 일산화탄소 또는 이산화탄소 분자에 의한 해당 파장의 흡수로 설명될 수 있습니다.
이미지 출처: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmstead(STScI), Renew Ho(NASA-JPL), Aaron Bello-Aroff(NASA-JPL), Michael Chang(시카고 대학교), Mantas Zielinskas(SRON)

예상보다 춥다

55 Cancri e가 상당한 대기를 가질 수 있다는 첫 번째 징후는 열 방출(위 이미지 참조) 또는 적외선 형태로 방출되는 열 에너지를 기반으로 한 온도 측정에서 나왔습니다. 만약 행성이 증발된 암석의 얇은 베일로 덮여 있거나 대기가 전혀 없는 어둡고 녹은 암석으로 덮여 있다면 낮의 온도는 약 4,000도여야 합니다. 에프 (~2200도 섭씨).

“대신 MIRI 데이터에 따르면 화씨 약 2,800도의 비교적 낮은 온도가 나타났습니다. [~1540 degrees Celsius]그는 말했다. “이것은 에너지가 낮에서 밤으로 분산된다는 매우 강력한 증거이며, 이는 아마도 불안정하고 풍부한 대기를 통해 일어날 가능성이 높습니다.” 용암류는 밤에 약간의 열을 전달할 수 있지만 냉각 효과를 설명할 만큼 효율적으로 열을 전달할 수는 없습니다.

팀이 NIRCam 데이터를 조사했을 때 풍부하고 변덕스러운 분위기와 일치하는 패턴을 발견했습니다.

공동 저자이자 NASA JPL의 Aaron Bello-Aroff는 “우리는 4~5 마이크론 사이의 스펙트럼이 감소했다는 증거를 확인했으며 이 빛 중 더 적은 양이 망원경에 도달합니다.”라고 설명했습니다. “이것은 이러한 파장의 빛을 흡수하는 일산화탄소나 이산화탄소를 함유한 대기가 존재한다는 것을 나타냅니다.” 대기가 없거나 기화된 암석으로만 구성된 대기가 있는 행성에는 이러한 특정 스펙트럼 특성이 없습니다.

“우리는 지난 10년 동안 다양한 시나리오를 모델링하면서 이 세상이 어떤 모습일지 상상해 왔습니다.” 공동 저자이자 라이덴 천문대와 네덜란드 우주 연구 연구소(SRON)의 야밀라 미구엘(Yamila Miguel)이 말했습니다. “마지막으로 우리의 귀중한 작업에 대한 검증을 받았습니다!”

부글부글 끓어오르는 마그마 바다

팀은 게자리 55 e를 덮고 있는 가스가 행성이 형성된 이후 존재하지 않고 내부에서 나올 것이라고 믿습니다. 벨로-아로프는 “핵 대기는 고온과 별의 강렬한 복사로 인해 오래 전에 사라졌을 것”이라고 말했다. “이것은 마그마 바다에 의해 지속적으로 보충되는 2차 대기가 될 것입니다. 마그마는 단지 액정과 암석이 아니라 많은 양의 가스가 용해되어 있습니다.

게자리 55 e는 너무 뜨거워서 거주할 수 없지만 연구자들은 이것이 암석 행성의 대기, 표면 및 내부 사이의 상호 작용을 연구하고 초기 지구 상태에 대한 통찰력을 제공할 수 있는 독특한 창을 제공할 수 있다고 믿습니다. 금성그리고 화성먼 과거에는 마그마 바다로 덮여 있었던 것으로 추정됩니다. “궁극적으로 우리는 어떤 조건이 암석 행성이 가스가 풍부한 대기를 유지할 수 있는지 이해하고 싶습니다. 이는 거주 가능한 행성의 필수 요소입니다.”라고 Hu는 말했습니다.

이 연구는 1952년 일반 관측자(GO) Webb 프로그램의 일환으로 수행되었습니다. 게자리 55 e에 대한 추가적인 이차 일식 관측이 현재 분석 중입니다.

참고: Renyu Hu, Aaron Belo-Aroff, Michael Zhang, Kimberly Paragas, Mantas Zilinskas, Christian van Botchem, Michael Pace, Jayeshil Patel, Yuichi Ito, Mario Damiano, Markus Shusher의 “암석 외행성 55 Cancri e의 2차 대기” , Apoorva V. 오자, 헤더 A. Knutson, Yamila Miguel, Diana Dragomir, Alexis Brandecker 및 Bryce Olivier Demauri, 2024년 5월 8일, 자연.
도이: 10.1038/s41586-024-07432-x

제임스 웹 우주 망원경은 세계 최고의 우주 과학 관측소입니다. Webb은 태양계의 미스터리를 풀고, 다른 별 주변의 머나먼 세계 너머를 바라보며, 우주의 신비한 구조와 기원, 그리고 그 안에 있는 우리의 위치를 ​​탐구합니다. WEB은 NASA가 파트너인 유럽 우주국(ESA)과 함께 주도하는 국제 프로그램입니다.유럽 ​​우주국) 및 캐나다 우주국.