현재까지 우리 은하계에서 별을 공전하는 외계행성이 5,000개 이상 발견되었다. 대부분의 외계행성들은 적색왜성(우리 은하에서 가장 흔한 별)에서 태양보다 약간 더 큰 별까지, 작은 별을 공전하고 있다. 그럼 더 크고 뜨거운 별을 돌고 있는 해왕성 크기의 행성들은 어디에 있을까? 2022년 8월 12일, 캘리포니아 대학교 연구팀은 A형 거성을 공전하는 희귀한 해왕성 크기의 행성을 발견했다고 발표했다. 

이 새로운 행성은 날치자리(Volans) 방향으로 873 광년 떨어져 있다. A형 별들은 흰색이나 푸르스름한 흰색의 1.4 ~ 2.1 태양 질량 범위의 항성이며, 우리의 태양보다 더 뜨겁다. 

2022년 8월 12일, 연구팀은 Astrophysical Journal Letters지에 동료 평가를 통한 논문을 발표했는데, UC Berkeley의 대학원생 Steven Giacalone이 주저자이다.

거성을 공전하는 해왕성 크기의 행성

이번에 새롭게 발견된 행성 HD 56414b는 해왕성과 거의 같은 크기를 가졌다. A형 백색 항성인 HD 56414를 공전하고 있는데, 이러한 별은 지금까지 거의 발견되지 않았다. 그들은 우리 은하에서 가장 밝은 1%에 해당되는 별들이다. 

일반적으로 별에 가까이 있는 행성은 감지하기가 쉽다. 그러나, HD 56414b는 그의 항성에서 멀리 떨어져 긴 공전 궤도를 갖고 있다. 이번 발견은 해왕성이나 천왕성 정도 크기의 큰 행성들을 거성 주위에서 발견하기가 왜 어려운지 그 단서를 제공해 준다. 

NASA의 TESS 우주망원경이 최초로 HD 56414b 행성을 탐지했는데, 지금은 퇴역한 TESS는 ‘횡단 방법(Transit Method)을 이용하여 행성을 탐색했다. 이 방법에서는, 지구의 적절한 위치에서 보면 행성이 자신이 공전하는 별 앞을 지나가게 된다. 

뜨거운 해왕성 사막

천문학자들은 이미 ‘뜨거운 해왕성 사막’이란 것에 대해서 알고 있다. 이것은 적색의 작은 별 가까이 공전하는 해왕성 크기의 행성이 드물다는 것인데, 과학자들은 이런 대단히 활동적인 별들의 복사 에너지가 행성의 대기를 없애고 암석 중심부만 남게 할 수도 있다고 한다. 그래서 온전한 형태로 해왕성과 유사한 행성은 드문 것이다. 

그러나 A형 별들 주위에서도 이러한 현상이 일어나는지 천문학자들은 아직 모른다. 쉽게 말해 지금까지 연구할 만한 행성들이 거의 발견되지 않았기 때문이다. 따라서 이번의 HD 56414b의 발견이 이를 연구하기에 아주 좋은 기회다. Giacalone는 다음과 같이 설명한다:

“그것은 이 거대한 별들 주변에서 우리가 알고 있는 가장 작은 행성들 중의 하나입니다. 사실, 이것은 우리가 알고 있는 목성보다 작은 행성을 가진 가장 뜨거운 별입니다. 이 행성은 무엇보다도 흥미롭습니다. 왜냐하면 이러한 유형의 행성은 발견하기가 정말 어렵고 가까운 장래에 유사한 행성을 많이 찾지는 못할 것이기 때문입니다.”

풍부한 해왕성 코어?

이 발견은 또한 거성 주변 대기가 없는 해왕성 크기의 행성들이 많이 존재할 수도 있음을 시사한다. 즉, 해왕성 크기의 행성들이 짙은 대기를 빼앗기고 암석형 중심부만 남았다는 말이다. 논문에서 언급하기로는:

“짧은 공전 주기를 갖는 해왕성형 행성들의 중심부 잔해 더미를 발견할 수도 있을 것입니다.”

작년의 또 다른 작년의 연구에서는 해왕성형 행성들이 대기를 잃음으로써 어떻게 쪼그라드는지도 보여주었다. 모항성의 복사에너지나 행성 형성에서 남은 열이 이를 유발할 수 있다. 암석 중심부만 남아서, 작은 해왕성을 슈퍼 지구로 바꾼다.  

행성 대기의 진화

이 발견은 또한 행성의 대기가 어떻게 진화하는지에 대한 새로운 단서를 제공한다. UC Berkeley의 천문학자 Courtney Dressing은 다음과 같이 설명한다:

“시간이 지남에 따라 행성이 어떻게 그 대기를 유지하는가에 대한 큰 의문이 있습니다. 우리가 작은 행성을 볼 때, 우리는 애초에 그것이 강착 원반으로부터 만들어질 때 생겨난 대기를 보는 것일까요? 시간이 흐름에 따라 행성에서 배출된 대기를 보는 것일까요? 행성이 모항성에서 다른 양의 빛, 특히 다른 파장의 빛을 받는 것을 볼 수 있다면 - 이는 A형 별이 할 수 있는 일이고 우리는 이를 통해 X선과 자외선의 비율을 바꿀 수 있습니다 - 우리는 행성이 어떻게 시간이 지남에 따라 그 대기를 정확히 유지하는지 알 수 있습니다. 뜨거운 해왕성 사막이 A형 별들까지 확장되는지의 여부를 결정하는 것은 대기 이탈 조정에 있어 근자외선 복사에너지의 중요성에 대한 통찰력을 제공하는 것입니다. 이 결과는 대기 질량 손실의 물리학을 이해하고 소형 행성들의 생성과 진화를 연구하는데 중요합니다.”

이 해왕성 크기의 행성은 매우 젊다

우주적으로 볼 때, HD 56414b 행성과 그의 별은 매우 젊다. 45억년인 우리 태양계의 나이에 비하면 겨우 4억 2천만년이기 때문이다. 이 행성은 반지름이 지구의 3.7배이고 공전주기는 29일이다. 지구와 태양 사이 거리의 1/4 정도의 거리만큼 자신의 별에서 떨어져 공전하고 있다. 

그렇다면 행성은 얼마나 오래 생존할 수 있을까? 연구원들은 대략 10억 년 정도일 것이라고 추정한다. 그 이후 별은 붕괴되어 초신성이 된다. 이것은 시간이 지나면 점차 사라지게 되겠지만 행성이 아직 대부분의 대기를 갖고 있다는 의미다. 행성의 질량이 크면 오래 생존할 수 있다. 다음은 Giacalone의 설명이다:

“행성의 중심 질량과 그 대기의 두께 사이에는 균형이 있습니다. 목성 크기 이상의 행성의 경우, 두터운 대기를 자신의 중력으로 지탱할 만큼 충분히 큰 질량을 가졌습니다. 그러나 해왕성 정도의 크기로 행성이 작아지면, 여전히 두터운 대기를 갖고 있지만 질량이 충분하지 않아 쉽게 대기를 잃을 수 있습니다.”

탐색은 계속된다

Giacalone와 Dressing은 모두 A형 별 주위에서 더 많은 해왕성형 행성을 탐색하려 한다. 특히, 그들은 이런 행성들이 젊은 별을 둘러싸고 있는 강착 원반 안 어디에 존재하는지, 그들이 안쪽으로 혹은 바깥쪽으로, 그들의 대기는 어떤 상태인지 알아내려고 한다. 이는 천문학자들이 이러한 행성들의 빈도가 어느 정도인지, 대기를 잃게 되는 과정에 대해 파악하는 데 도움이 될 것이다.  

원본 출처 : https://earthsky.org/space/hd-56414-b-neptune-sized-planet-giant-star/​​