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HD 209458 b

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1. 개요

HD 209458 b는 1999년 시선 속도법을 통해 최초로 발견된 외계 행성이다. 이 행성은 트랜싯(항성면 통과) 현상 관측을 통해 존재가 확인되었으며, 분광 관측을 통해 질량과 반지름을 측정했다. 또한, 스피처 우주 망원경을 이용한 적외선 직접 관측과 스펙트럼 관측을 통해 대기 조성을 분석했다. HD 209458 b는 대기 상층부에서 수소, 탄소, 산소 원자가 탈출하는 현상을 보이며, 대기에서 수증기, 일산화탄소, 메탄 등 다양한 분자가 검출되었다. 자기장 또한 간접적으로 감지되었다.

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HD 209458 b
기본 정보
HD 209458 b와 목성의 크기 비교
HD 209458 b와 목성의 크기 비교
별자리페가수스자리
다른 이름오시리스
발견일1999년 9월 9일
발견자데이비드 샤르보노
티머시 브라운
데이비드 래섬
미셸 마요르
G.W. 헨리
제프리 마시
R.P. 버틀러
S.S. 보그트
발견 장소고고도 천문대
제네바 천문대
발견 방법시선 속도법
통과법
궤도 정보
항성페가수스자리 V376 별 (HD 209458)
궤도 긴반지름0.04707 천문단위(AU) (7,042,000 km)
궤도 이심률0.0081 미만
공전 주기3.52474859일 (84.59396616 시간)
궤도 경사86.710 ± 0.050 도
근점 통과 시간율리우스 적일 2452826.629283
근일점 인수83도
반진폭84.27 ± 0.69 m/s
거리157 광년 (47.1 파섹)
물리적 특징
반지름1.359 ± 0.016 목성 반지름
질량0.682 ± 0.014 목성 질량
밀도0.333 ± 0.014 g/㎤
표면 중력9.2 m/s² (0.94 g)
반사율0.096 ± 0.016 (기하학적 반사율)
표면 온도1499 ± 15 켈빈(K) (낮), 972 ± 44 K (밤)
항성 정보
이름페가수스자리 V376
겉보기 등급7.65
분광형G0V
질량1.13 ± 0.03 태양 질량
반지름1.14 ± 0.06 태양 반지름
표면 온도6000 ± 50 켈빈(K)
금속 함량0.00 ± 0.02
나이4 ± 2 Gyr

2. 발견 및 관측

2. 1. 시선 속도법을 통한 발견

1999년, 시선 속도법을 이용한 분광학적 연구를 통해 HD 209458 b의 존재가 처음으로 증명되었다. 주성인 HD 209458은 켁 천문대의 HIRES를 사용한 관측과 오트-프로방스 천문대의 1.93 m 망원경에 설치된 분광기 ELODIE를 사용한 관측 등 시선 속도법에 의한 독립적인 두 개의 외계 행성 탐사 프로젝트에서 관측 대상이 되었다. ELODIE에 의한 관측에서는 1999년 8월에 HD 209458의 시선 속도 변화가 감지되었고, 추가 관측 결과와 함께 행성 후보 천체의 궤도 요소와 예측되는 통과 현상의 시기가 판명되었다.

헨리 등도 9월까지 HIRES를 사용한 관측에서 HD 209458의 시선 속도 변화를 감지했고, 궤도 요소가 확정되어 예상되는 통과 현상의 시기가 판명된 직후 측광 관측을 시작했다. 헨리 등은 11월 12일에 국제 천문 연맹의 서큘러에서 통과 현상을 감지했음을 보고했고, 18일에 논문을 투고했다. 샤보노 등은 다음 날 19일에 논문을 투고했다. 두 그룹의 논문은 모두 수리되어 천체물리학 저널의 같은 권에 연속된 페이지에 게재되었다.

보고된 통과 현상의 지속 시간은 약 3시간이며, 행성은 주성 면적의 약 1.5%를 가리는 것으로 알려졌다. 주성은 위치 천문 위성인 히파르코스에 의해 반복적으로 관측되었기 때문에, HD 209458 b의 공전 주기는 3.524786일로 매우 정확하게 계산되었다.

2. 2. 트랜싯 (항성면 통과) 관측

1999년 5월 분광학적 연구를 통해 항성 HD 209458 주위 행성의 존재를 최초로 증명했다.[32] 천문학자들은 행성이 항성 앞을 지나가면서 빛을 일정량 가려 어두워지는 현상(트랜싯)을 관측하기 위해, 행성을 거느리고 있는 항성 여럿을 측광학적으로 정교하게 관측해 왔었다. 다만 이런 현상이 관측되기 위해서는 행성의 공전 궤도면이 지구와 별 사이를 지나가도록 기울어져야 하는데, 당시까지는 이런 사례는 발견되지 않았다.[32]

데이비드 샤르보노가 이끄는 팀(티모시 브라운 등 포함)과 그레고리 W. 헨리가 이끄는 또 다른 팀이 별 표면을 가로지르는 행성의 통과를 감지하여 최초의 통과 외계 행성으로 기록되었다. 1999년 9월 9일과 16일, 샤르보노 팀은 HD 209458의 밝기가 1.7% 감소하는 것을 측정했는데, 이는 행성이 별을 통과했기 때문으로 여겨졌다. 11월 8일, 헨리 팀은 부분적인 통과를 관측하여 행성의 출현만 확인했다. 처음에는 결과에 대한 확신이 없었던 헨리 팀은, 샤르보노가 9월에 전체 통과를 성공적으로 관측했다는 소문을 듣고 서둘러 결과를 발표하기로 결정했다. 두 팀의 논문은 천체물리학 저널의 같은 호에 동시에 게재되었다. 각 통과는 약 3시간 동안 지속되며, 이 기간 동안 행성은 별 표면의 약 1.5%를 가린다.[32]

이 별은 히파르코스 위성에 의해 여러 번 관측되었으며, 이를 통해 천문학자들은 HD 209458 b의 공전 주기를 3.524736일로 매우 정확하게 계산할 수 있었다.[2][33] HD 209458 b는 처음으로 통과 현상이 감지된 외계 행성이지만, 존재의 첫 감지는 시선 속도법을 사용하여 이루어졌다.

2. 3. 분광 관측

분광기를 이용하여 b의 질량이 목성의 0.69배임을 알 수 있었다.[34] 트랜싯 현상과 분광기 관측 두 방법을 함께 사용하여, 이전까지는 알 수 없었던 외계 행성의 정확한 질량과 반지름을 알 수 있었다. b의 반지름은 목성보다 35퍼센트 더 컸다.[34] 이전에, 모항성에 특히 가까운 뜨거운 목성은 외부 대기의 강한 가열로 인해 이러한 종류의 팽창을 보일 것이라고 가설이 세워졌었다. 형성 시 더 컸을 수 있는 궤도의 이심률로 인한 조석 가열 또한 지난 수십억 년 동안 역할을 했을 수 있다.[3]

2. 4. 직접 관측

2005년 3월 22일 미국 항공우주국(NASA)은 스피처 우주 망원경을 이용하여 HD 209458 b에서 나오는 적외선을 검출하는 데 성공했다고 발표했는데, 이는 외계 행성에서 나오는 빛을 직접 감지한 최초의 사례였다. 항성은 지속적으로 밝기가 유지되므로 행성이 앞을 지나가면서 가리는 빛을 원래 광도에서 뺐고, 이 차이가 행성이 뿜는 열임을 이용했다. 이 관측으로부터 행성의 유효 온도는 적어도 섭씨 750도임이 밝혀졌다. HD 209458 b의 공전 궤도가 원형임도 다시금 검증되었다.

HD 209458 b의 통과 및 이차 식의 개략도.

2. 5. 스펙트럼 관측

2007년 2월 21일, 미국 항공우주국(NASA)과 네이처 지는 HD 209458 b가 HD 189733 b와 함께 외계 행성 역사상 최초로 스펙트럼이 직접 관측된 두 행성 중 하나라고 발표했다.[35][36] 과학자들은 오랫동안 행성의 대기에 영향을 미치는 외계 생명체를 탐색할 수 있을 것으로 여겨왔다. 미국 항공우주국 고다드 우주 비행 센터의 제레미 리처드슨 연구진은 7.5 ~ 13.2 마이크로미터 영역에서 HD 209458 b의 대기를 연구했다. 연구 결과, 10 마이크로미터 영역에서 수증기의 존재를 나타내는 피크(최고점)가 나타나지 않아 대기에 기체 상태 물이 없음을 확인했다. 대신 9.65 마이크로미터에서 예상치 못한 피크가 나타났는데, 이는 규산염 먼지로 이루어진 구름의 존재를 나타내는 것으로 해석되었다. 7.78 마이크로미터에서도 또 다른 예상 밖의 피크가 검출되었다. 제트 추진 연구소의 마크 스웨인이 이끄는 별도의 연구팀이 리처드슨 등의 데이터를 재분석하여 유사한 결과를 얻었다.

2010년 6월 23일, 천문학자들은 유럽 남방 천문대(ESO)의 초대형 망원경과 CRIRES 분광기를 통해 얻은 고정밀 관측 결과, HD 209458 b의 대기에서 최대 시속 7,000km의 슈퍼폭풍을 측정했다고 발표했다. 이 관측에서 일산화 탄소 가스가 매우 뜨거운 낮 부분에서 행성의 더 차가운 밤 부분으로 엄청난 속도로 이동하는 것이 밝혀졌다. 이를 통해 외계 행성 자체의 궤도 속도를 측정하여 질량을 직접적으로 결정할 수 있었다.

2021년 현재, 다양한 장비로 얻은 행성 대기의 스펙트럼은 일관성이 매우 떨어지며, 이는 금속이 부족한 대기, 흑체 평형 이하의 온도[6] 또는 비평형 대기 화학을 나타낸다.[7]

2. 6. 로시터-맥러플린 효과

로시터-맥라플린 효과를 측정한 결과, HD 209458 b의 스핀-궤도 각도는 초기에는 −4.4 ± 1.4°로 측정되었으나,[8][9] 2012년 연구에서는 −5°로 수정되었다.[10]

3. 물리적 특성

HD 209458 b의 모습을 상상한 것. b의 뒤로 행성의 대기를 구성하고 있던 수소, 탄소, 산소 원자들이 꼬리 모양을 이루면서 탈출하고 있다.


HD 209458 b의 예술적 묘사


이전부터 뜨거운 목성들은 항성에 가까이 붙어 있기 때문에 대기 상층부가 가열되어 부풀어 있을 것이라는 가설이 있어 왔다. 궤도 이심률(행성 탄생 초기 이심률은 지금보다 컸을 것이다) 때문에 생기는 조석열 또한 지난 수십억 년 동안 행성이 가열되는 데 한몫을 담당했을 것이다.[37]

별에 매우 가까운 위치를 공전하는 핫 쥬피터는 대기 외층이 강하게 가열되어 팽창된 반지름을 가질 수 있다고 생각되어 왔다。 그 외에도 행성의 궤도가 이심률을 가짐으로써 발생하는 조석 가열에 의해 행성 반지름에 영향을 미친다. 행성이 형성된 단계에서는 현재보다 궤도 이심률이 컸을 가능성이 있으며, 조석 가열의 효과는 수십억 년 동안 지속될 수 있다。

3. 1. 대기

3. 1. 1. 성층권과 상층부 구름

행성 중심으로부터 1.29 목성반경이 되는 부분의 대기 압력은 1 이다.[38] 압력이 33+/-5 밀리바가 되는 지점의 대기는 맑으며(아마도 수소일 것이다) 레일리 산란 효과가 감지된다. 이 지점의 온도는 2200+/-260 K이다.[38]

MOST의 관측 결과 이 행성의 알베도는 30퍼센트 이하였는데, 이를 통해 이 행성을 인간의 눈으로 볼 경우 매우 어둡게 보일 것임을 예상할 수 있다.(이전까지 관측되었던 기하학적 알베도는 3.8 ± 4.5 퍼센트였다.[39].) 목성의 반사율은 52퍼센트이다. 반사율로부터 HD209458 b의 상층 대기 구름층은 목성보다 반사율이 낮은 물질로 구성되어 있거나 혹은 구름이 전혀 없는 상태로 추측된다.[40] 지금까지의 모형에 따르면 대기 상층부와 뜨겁고 압력 높은 맨틀 위 기체층 사이에는 좀 더 차가운 성층권이 형성되어 있다.[41][42] 이를 통해 어둡고 불투명하고 뜨거운 구름층이 행성을 덮고 있으리라 예상할 수 있다. 구름의 성분은 분광형 M의 적색 왜성 상층 대기에서 발견되는 이산화 티타늄과 이산화 바나듐일 것으로 보이며, 현재로서는 톨린이 포함되어 있을 가능성도 배제할 수 없다.[42] 레일리 산란을 보이는 가열된 수소는 성층권 꼭대기에서 안정되며, 구름층 중 흡수성 있는 부분은 안정 수소층 위에 있으며 압력은 25 밀리바이다.[43] 2016년 연구에 따르면 고고도 구름 덮개는 약 57%의 덮개로 부분적이다.[12]

핫 주피터라고 불리는 유형의 행성 비교 (상상도).

왼쪽 위에서 오른쪽 아래로, WASP-12b, WASP-6b, WASP-31b, WASP-39b, HD 189733 b, HAT-P-12b, WASP-17b, WASP-19b, HAT-P-1b, HD 209458 b.

3. 1. 2. 외기권

2003년부터 2004년에 걸쳐 천문학자들은 허블 우주 망원경 이미징 분광사진기를 이용하여 HD 209458 b 주위에 10,000 켈빈 온도로 가열된 수소, 탄소, 산소 층을 발견했다. 이들은 거대한 타원체를 형성하고 있었다.[20] 이 온도에서 입자 속도의 맥스웰-볼츠만 분포에 따르면 탈출 속도보다 빠르게 움직이는 원자의 ‘꼬리’가 형성된다. 이로 인해 행성은 초당 1억 ~ 5억 (1–5×108) kg수소를 우주 공간으로 잃고 있다.[48] 항성의 빛을 외기권 통과 여부에 따라 분석한 결과, 무거운 탄소 및 산소 원자들은 수소 대기가 증발하면서 생기는 극렬한 ‘유체역학적 항력’ 때문에 행성으로부터 불려 날아가고 있었다. 행성으로부터 도망가는 이 수소 꼬리 흐름의 길이는 대략 20만 킬로미터로, 행성의 지름과 대충 비슷한 길이이다.

이런 대기 탈출 현상은 태양과 비슷한 항성을 0.1 AU 이내 거리를 두고 공전하는 외계 행성들에서 흔히 발견되는 것으로 추측된다. HD 209458 b는 어머니 항성이 죽음을 맞는 50억 년 후까지 전체 질량의 7퍼센트 정도를 잃을 것으로 보인다.[48]

3. 1. 3. 대기 조성

2007년 4월 10일, 로웰 천문대 소속 트래비스 바먼은 허블 우주 망원경 측정 데이터와 이론적 모형을 조합하여 HD 209458 b의 대기에 수증기가 포함되어 있다는 증거를 발표했다.[49][50][51] 하버드 대학교 재학생 히더 넛슨의 허블 우주 망원경 측정 자료를 활용하여 행성 대기 내 물 흡수선을 확인했다. 행성이 항성 앞을 지날 때 빛이 행성 대기를 통과하며, 이 빛의 흡수 패턴을 분석하여 대기 성분을 추정했다.

2007년 4월 24일, 천문학자 다비드 샤르보뉴는 망원경 자체의 변수로 인해 물 흡수선이 나타난 것처럼 보일 수 있다고 주장하며 추가 연구의 필요성을 제기했다.[52]

2009년 10월 20일, JPL 연구원들은 대기에서 수증기, 이산화탄소, 메탄을 발견했다고 발표했다.[24][25]

2021년의 정제된 스펙트럼 분석 결과, 수증기, 일산화탄소, 시안화 수소, 메탄, 암모니아[26]아세틸렌이 검출되었다. 이는 1.0의 매우 높은 탄소 대 산소 몰 비율과 일치하며, 태양의 C/O 몰 비율은 0.55이다. 이 결과가 사실이라면, HD 209458 b는 탄소 행성의 주요 사례가 될 수 있다.[27]

3. 2. 자기장

2014년, HD 209458 b에서 수소가 증발하는 현상을 통해 외계 행성 자기장이 최초로 (간접적으로) 감지되었다. 이 행성의 자기장은 목성의 약 10분의 1 세기로 추정된다.[28][29]

4. 한국의 관점

참조

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