암석 행성이 더 밝습니까, 아니면 가스 행성이 더 밝습니까? 겉보기 등급과 본드 알베도 측면에서 태양계에서 가장 밝은 별은 물론 지구의 이웃인 금성입니다. 행성으로서 금성은 우리가 보는 별들보다 훨씬 더 밝으며, 확실히 "밤하늘에서 가장 밝은 별"입니다. 우리 태양계에서 가장 밝은 행성은 암석으로 이루어진 행성이지만, 외부 태양계에서는 그렇지 않다고 말할 수 있습니다. 금속 증기 구름과 티타늄 비가 주변에 있는 세상을 상상할 수 있습니까?
"자기 전 밝은 달빛, 땅에 서리가 의심됨". 우리는 달을 달빛이라고 부르지만 이 빛은 달 자체에서 방출되는 것이 아니라 햇빛을 반사하여 나오는 것임을 알고 있습니다. 행성도 마찬가지다. 달이 밝게 보이는 것은 빛을 반사해서가 아니라 우리에게 너무 가까이 있기 때문입니다. 달의 알베도는 실제로 매우 낮아 약 10%에 불과합니다.
태양계의 8개 행성 중 반사율이 가장 낮은 수성은 달과 마찬가지로 대기가 부족하여 알베도가 9% 미만입니다. 다른 행성들은 대기가 전혀 없다면 너무 반사적이지 않습니다. 지구와 마찬가지로 알베도는 가스 행성의 알베도와 거의 동일하며 약 30%입니다. 목성은 50%로 조금 더 큽니다. 그러나 금성은 가장 높은 알베도를 가지고 있습니다. 두꺼운 대기와 독특한 황산 구름 덕분에 금성의 알베도는 76%에 달합니다! 그래서 금성은 태양과 달 다음으로 하늘에서 가장 밝은 물체라고 말할 수 있습니다.
행성이 "가장 예쁘다"려면 외관(높은 알베도) 외에도 별과 충분히 가까워야 합니다. 예를 들어, 금성은 알베도 측면에서 모든 경쟁자를 압도할 뿐만 아니라 태양과 매우 뜨거운 관계를 맺고 있습니다. 태양으로부터 불과 0.72 천문 단위 떨어져 있습니다(지구로부터의 거리의 3/4). ), 수성에 이어 두 번째입니다. 따라서 우리 태양계 외부의 가장 밝은 행성은 또한 모항성과 매우 가까워야 합니다.
2019년에 천문학자들은 264광년 떨어진 별 옆에서 LTT 9779 b(TOI{2}} b)라는 희귀 행성을 발견했습니다. 통과 방법에 따르면 이 행성은 매우 밝으며 알베도가 80%로 금성보다 높습니다. 그리고 당연히, 그것은 모항성과 매우 가깝습니다. 금성에서 태양까지의 거리(0.017 천문 단위)의 1/42에 불과합니다. 광원에 매우 가깝고 반사성이 뛰어나 얼마나 밝을지 상상할 수 있습니다.
행성은 지구 질량이 29이고 지구 반경이 4.6인 가스 행성입니다. 크기와 밀도를 고려하면 해왕성 천체로 분류됩니다. 이 물체는 알베도가 높거나 해왕성과 유사한 물체이기 때문에 희귀한 것이 아닙니다(확인된 모든 외계 행성 중 3분의 1이 해왕성과 유사한 물체입니다). 해왕성 물체가 전혀 여기에 있기에는 호스트 별과 너무 가깝기 때문에 드문 일입니다!
일반적으로 별 가까이로 날아가는 행성은 거대한 가스 행성(예: "뜨거운 목성")이거나 지구 크기 정도의 암석 행성입니다. 왜냐하면 당신이 전자와 같은 육체의 방패가 아니라면, 아주 짧은 시간(가령 1억년) 안에 별들에게 잡아먹혀 벗겨져 작고 단단한 핵만 남게 될 것이기 때문입니다.
특히 젊은 스타의 경우에는 더욱 그렇습니다. 예를 들어, 태양 크기의 약 80%에 해당하는 행성의 모항성(LTT 9779)도 G계열별입니다. 하지만 태양의 당당한 46억 살 '중년 아저씨'에 비하면 태양은 아직 20억 살도 채 안 된 '젊은 남자'에 불과하다. 매우 강한 방사선을 방출하는 젊은 별과 마주할 때, 해왕성만한 크기의 행성이 자체 중력에 의해 외부 대기에 고정되는 것은 거의 불가능합니다. 수소와 헬륨이 제거되어 바위 같은 핵만 남았어야 합니다.
행성반지름과 공전주기 그래프를 직접 보면 세로축이 행성반지름(단위:지구반경), 가로좌표가 공전주기(단위:일)이다. 별에 매우 가깝고(궤도 주기가 매우 짧음) 기본적으로 지구 반경의 1~2배에 해당하는 행성이 있음을 알 수 있습니다. 약간 더 먼 거리에서는 거대 가스 행성이 안정적일 수 있습니다. 그리고 중앙에 있는 해왕성과 같은 물체들은 대부분 더 멀리 떨어져 있습니다. 삼각형에서는 해왕성과 유사한 물체가 거의 발견되지 않으므로 이 지역은 "해왕성 사막"이라고도 알려져 있습니다.
그러나 문제의 행성(그림의 오각형)은 "해왕성 사막"의 몇 안 되는 예 중 하나입니다. 별에 너무 가깝기 때문에 0.8일 만에 별 주위를 도는 매우 작은 궤도를 가지고 있습니다. 즉, 그 위의 "1년"은 19시간만 지속된다는 의미입니다.
별에 이렇게 가까워지면 행성의 표면 온도가 차가워서는 안 됩니다. 그렇습니다. 평형 온도는 거의 2000K에 가깝습니다. 이는 적색 왜성의 표면 온도에 가깝기 때문에 초고온 해왕성이라고도 불립니다. 따라서 문제는 수소와 헬륨으로 구성된 작은 가스 행성이 어떻게 그렇게 극한의 온도에서 대기를 유지할 수 있는가 하는 것입니다.
일부 과학자들은 이 행성이 별에 의해 물질이 제거되어 해왕성 크기의 몸체를 가지게 되기 전에는 Jupjup 크기의 거인이었을 것이라고 추측했습니다. 하지만 거대한 행성이 항성풍과 뜨거운 베이킹(빛 증발)만으로 짧은 시간에 그 정도의 질량을 잃는 것은 어렵습니다. 따라서 행성은 RLO(Roche Lobe Overflow)와 같은 물질 유출의 다른 방법을 경험할 수도 있습니다.
여기서 로슈 로브 오버플로는 주로 가스 거대 행성이 별에 너무 가까워지면 (예 : 별의 로슈 한계에 진입) 별의 조석력의 작용으로 행성의 외부 가스가 발생하는 현상을 나타냅니다. 행성 자체의 로슈 엽(Roche lobe) 너머로 확장되어 행성 물질이 크게 손실됩니다.
이 행성은 이제 항성 방사선의 증발과 조석력으로 인한 로체엽의 유출로 인해 거대한 행성에서 바위 행성으로 전환하는 과정에 있을 수 있습니다. 프로세스가 왜 그렇게 느린지는 수수께끼입니다.
2023년 10월 Monthly Royal Astronomical Transactions 저널에 발표된 논문에서 연구자들은 XMM-뉴턴 우주 망원경을 사용하여 행성의 모항성에서 나오는 X선을 관찰했습니다. 그들은 그 별이 실제로 우리가 예상했던 것보다 훨씬 더 부드럽다는 것을 발견했습니다. 비정상적으로 느린 회전을 가지고 있을 뿐만 아니라, 방출되는 X-선은 예상만큼 강력하지 않고 동료에 비해 15배만 강력합니다. 글쎄, 나는 그가 영혼의 소년이라고 생각했지만 약한 학자가 될 것이라고는 기대하지 않았습니다. 약한 항성 방사선은 행성이 대기를 유지할 수 있는 이유 중 하나일 수 있습니다.
이제 문제는 뜨거운 해왕성으로서 80%의 초고알베도를 설명하는 것이 무엇입니까? 우리 태양계의 가스 행성은 목성의 알베도를 기껏해야 50% 정도 가지고 있습니다. 반사율이 이렇게 높다면 이 행성에는 뭔가 특별한 것이 있을 것이고, 그 대기에는 어떤 비밀이 숨겨져 있을 수도 있습니다.
다행히도 이 행성은 그리 멀지 않으며(단 264광년), 적외선 기능을 갖춘 우주 망원경의 도움으로 전송 스펙트럼을 통해 대기에 무엇이 있는지 볼 수 있습니다.
천문학자들은 스피처(Spitzer), 허블(Hubble), 웹(Webb) 망원경을 사용하여 행성의 대기를 관찰했습니다. 물론, 예상되는 수소와 헬륨의 구성에 더해, 대기에는 태양보다 수백 배 더 풍부한 금속 함량이 비정상적으로 높습니다! 스펙트럼을 면밀히 분석해 보면 대기의 구름이 실제로 규산염으로 이루어져 있다는 사실이 밝혀졌습니다.
(*천문학에서는 수소, 헬륨 이외의 원소를 총칭하여 금속원소라고 합니다)
규산염은 기본적으로 돌, 모래, 유리 같은 것이고, 지구와 같은 암석 행성은 기본적으로 규산염으로 이루어져 있습니다. 조성에 따라 규산염의 끓는점은 일반적으로 2,000도 이상(또는 유리의 경우 1,000도 이상)입니다. 행성의 평형 온도가 거의 2000도라는 점을 감안할 때 모래가 있으면 실제로 증발할 수 있습니다. 하지만 그게 전부는 아닙니다. 과학자들은 이러한 규산염 외에도 구름에 금속 티타늄도 포함되어 있음을 발견했습니다. 즉, 행성의 표면은 "티타늄 모래 구름"층으로 덮여 있으며 반사 능력이 너무 강하고 행성 전체가 큰 거울과 함께 있다는 것은 놀라운 일이 아닙니다.
금속 증기 구름으로 둘러싸인 거대한 불덩이가 하늘에 매달려 있는 환경을 상상해 보십시오. 온도가 더 낮아지면 이러한 중금속 구름이 응축되어 "빗방울"로 떨어지게 됩니다. 그런 다음 액체 금속은 고온에서 다시 증발됩니다.
좋아요, 요약하자면, 왜 이 행성이 해왕성 사막에 있을 수 있을까요?
1. 별에 가깝지만 모항성은 X선이 매우 약하고 항성풍도 강하지 않습니다.
2. 행성 대기의 금속 함량이 매우 높기 때문에 전체 대기가 매우 무겁고 날려버리기가 어렵습니다.
3. 금속 구름으로 인한 높은 알베도는 별의 방사선 대부분을 차단하여 행성이 과도하게 구워지는 것을 방지합니다.
이러한 이유는 지금까지 그럴듯해 보이지만 이 초고온 해왕성의 미스터리는 잠정적으로만 해결되었습니다. 더 많은 증거가 미스터리를 해결하는 데 도움이 될 것이라는 희망으로 향후 JWST에서 더 자세히 관찰할 수 있습니다.
