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HD 189733 b

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목차

1. 개요

HD 189733 b는 2005년에 발견된 외계 행성으로, 항성 HD 189733을 공전한다. 도플러 분광법을 통해 존재가 확인되었으며, 2007년에는 스피처 우주 망원경을 통해 적외선 스펙트럼이 측정되었다. 2008년에는 편광 측정법을 통해 푸른색을 띠는 것이 밝혀졌으며, 레일리 산란의 결과로 추정된다. HD 189733 b는 X선 스펙트럼 연구를 통해 대기에서 X선을 흡수하는 성질이 발견되었고, 대기 증발 현상도 관측되었다. 이 행성은 목성보다 약간 크며, 2.2일 주기로 항성을 공전하며, 1,200 켈빈 전후의 평형 온도를 가진다. HD 189733 b의 대기에서는 수증기, 메탄, 일산화 탄소 등이 발견되었으며, 시속 8,700km의 강풍이 부는 것으로 알려져 있다. 이 행성 주변에 외계 위성이 존재할 가능성도 제기되었지만, 아직 확실한 증거는 없다.

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  • 뜨거운 목성 - WASP-3b
HD 189733 b
개요
목성과 HD 189733 b 비교
목성과 HD 189733 b 크기 비교
별자리여우자리
분류태양계 외 행성, 뜨거운 목성
발견
발견자François Bouchy 외
발견일2005년 10월 5일
발견 장소오트 프로방스 천문대
발견 방법도플러 분광법, 통과
궤도 특성
궤도 이심률< 0.0039
공전 주기(53.2458048 시간)
모항성HD 189733
물리적 특징
표면 중력(2.2 g)
알베도 (450–570 nm)<0.12
평형 온도(), ()
항성 정보
시차50.5685
기타 정보
다른 이름BD+22 3887 b
GJ 4130 b
GSC 02141-00972 b
HD 189733 Ab
HIP 98505 b
SAO 88060 b
TYC 2141-972-1 b

2. 발견 및 관측 역사

2005년 10월 5일, 프랑스 천문학자 그룹은 HD 189733 항성 앞을 지나가는 행성 HD 189733 b의 발견을 발표했다. 이들은 도플러 분광법을 통해 행성의 존재를 확인했으며, 행성이 별 앞을 통과할 때 발생하는 로시터-맥로린 효과를 실시간 시선 속도 측정을 통해 검출했다. 이후 측광법 측정을 통해 HD 189733 b가 실제로 항성면을 통과하는 현상을 일으킨다는 사실이 확인되었다.[28]

2. 1. 항성면 통과 및 도플러 분광학

2005년 10월 6일, 천문학자들은 항성면 통과 현상을 이용하여 HD 189733 b를 발견했다고 발표했다.[28] 이 행성은 도플러 분광법을 사용하여 존재를 확인했으며, 실시간 시선 속도 측정을 통해 행성이 별 앞을 통과하면서 발생하는 로시터-맥러플린 효과를 감지했다. 광도 측정을 통해 행성이 항성 앞을 지나가고 있음을 확인했다.

HD 189733 b의 적외선 스펙트럼

2. 2. 적외선 스펙트럼

2007년 2월 21일 NASA는 스피처 우주 망원경을 이용하여 HD 189733 b와 HD 209458 b의 상세한 적외선 스펙트럼을 측정했다고 발표했다.[62] 이 발표는 네이처에 실린 HD 209458 b의 분광 관측에 대한 첫 번째 출판과 동시에 이루어졌다. 관련 논문은 천체 물리학 저널 레터스에 게재되었다. HD 189733 b의 분광 관측은 NASA 스피처 과학 센터의 칼 그릴마이어가 이끌었다.

2. 3. 가시광선 및 X선 스펙트럼

2008년, 천체 물리학자 팀은 편광 측정법을 사용하여 행성의 가시광선을 탐지하고 모니터링하는 데 처음으로 성공했다. 이들은 행성의 알베도가 적색광보다 청색광에서 훨씬 더 크다는 것을 발견했는데, 이는 레일리 산란과 적색광에서의 분자 흡수 때문일 것이다. 이후 2013년에 행성의 짙은 푸른색이 확인되었으며,[1] 이는 HD 189733 b가 두 가지 다른 기술로 전체 색상이 결정된 최초의 행성이 되었다.

200px


허블 우주 망원경에 의해 2013년에 밝혀진 HD 189733 b의 푸른 외관을 반영한 상상도


HD 189733 b의 풍부한 코발트 블루[5][6] 색상은 레일리 산란의 결과일 수 있다. 레일리 효과는 바깥 대기 아래의 더 차갑고 그늘진 성층권이 없는 것처럼 보이는 다른 모델에서도 확인된다.

2013년 7월, 미국 항공우주국(NASA)은 찬드라 X선 관측선과 XMM-뉴턴을 이용하여 행성의 통과 현상을 X선 스펙트럼으로 연구한 최초의 관측 결과를 발표했다. 이 연구를 통해 행성의 대기가 가시광선보다 3배 더 많은 X선을 차단한다는 사실이 밝혀졌다.[7] 이는 HD 189733 b 주변에 X선을 흡수하는 성질을 가진 외부 대기가 존재할 가능성이 있음을 시사한다.

2. 4. 대기 증발

2010년 3월, 수소 라이먼 알파선을 이용한 통과 관측에서 이 행성이 초당 1000ton~100000ton의 속도로 증발하고 있음이 밝혀졌다. 이러한 징후는 원자 수소의 확장된 외기권을 감지하여 발견되었다. HD 189733 b는 HD 209458 b에 이어 두 번째로 대기 증발이 감지된 행성이다.[8] WASP-12b, 55 캔크리 b 등 다른 뜨거운 목성에서도 대기 증발이 확인되었다. 주성의 활동이 더 활발했던 형성 초기에 더 강한 자외선 및 X선 방사를 받았기 때문에 현재보다 대기 증발이 훨씬 격렬했을 것으로 여겨진다.

HD 189733 b의 대기 증발에 관해 설명하는 내레이션이 있는 동영상


주성 표면에서 플레어가 발생한 후 대기가 급격하게 유실되는 HD 189733 b의 상상도


2011년 9월, 허블 우주 망원경 관측에서 HD 189733 b의 대기가 혜성처럼 꼬리를 끌고 있는 모습이 확인되었다. 2010년 4월에도 허블 우주 망원경의 STIS 분광기로 대기 유실 흔적을 찾았으나 관측되지 않았다. 그러나 이번 관측 8시간 전, 스위프트 위성이 주성 HD 189733 A 표면에서 강력한 X선 플레어를 관측했으며, 이때 관측된 HD 189733 b의 대기 유실은 이 X선 플레어의 영향으로 보인다.[45][46] 연구팀은 HD 189733 b가 지구의 약 300만 배나 되는 X선 플레어 영향을 받고 있다고 지적했다.[47]

3. 물리적 특징

HD 189733 b는 목성보다 약 16% 더 크며, 어머니 항성 HD 189733 A를 2.2일마다 152.5km/s의 속도로 공전한다.[65] 이 행성은 주성과의 조석 고정 상태로 인해 한쪽 면은 항상 낮이고 다른 쪽 면은 항상 밤이다.[65]

이 행성은 어머니 항성 앞을 지나면서 빛을 3% 가리는데, 이는 발견된 외계 행성들 중 가장 큰 수치이다.[65] 항성면 통과를 하면서 행성과 항성은 로시터-맥러플린 효과를 보여준다.[65] 질량이 크고 항성에 가까이 붙어 있기 때문에, 어머니 항성의 시선속도는 초당 205미터에 이른다.[65] HD 209458 b와 함께 분광기를 통해 직접 관측된 최초의 행성들 중 하나이다.[62]

천체 예술가가 행성 온도 지도에 기반하여 HD 189733b를 상상하여 만든 작품.


스페인에 위치한 스웨덴 60cm 망원경 KVA를 사용하여 취리히 공과대학교의 스베틀라나 베르듀기나(Svetlana Berdyugina)가 이끄는 국제 연구팀은 이 행성에서 반사된 편광된 빛을 직접 관측했다. 편광은 산란 대기가 통과 시에 보이는 행성의 불투명한 몸체보다 상당히 크다(> 30%)는 것을 나타낸다.[9]

HD 189733 b는 타원체가 아니며, 지구 반지름의 0.8배보다 큰 위성이나 토성과 같은 고리 시스템을 가지고 있지 않다.

3. 1. 대기 조성

2007년 7월 11일 죠반나 티네티 연구진은 스피처 우주 망원경을 이용하여 HD 189733 b를 관측한 결과, 대기에 상당량의 수증기가 포함되어 있다고 발표했다.[68] 허블 우주 망원경으로 후속 관측을 한 결과 수증기 및 유기 화합물 메탄의 존재도 확인되었다.[69] 이후, 초대형 망원경(VLT) 관측에서도 행성의 낮 부분에서 일산화 탄소의 존재가 감지되었다. 극도로 뜨거운 환경(섭씨 700도)에서 어떻게 메탄이 일산화 탄소 대신 존재할 수 있는지는 아직 밝혀지지 않았다.[69][70]

나트륨과 칼륨의 존재는 2007년 티네티(Tinetti) 연구진에 의해 예측되었다. 처음에는 응축물 헤이즈 때문에 가려져 있었지만, 나중에 나트륨은 HD 209458 b의 나트륨 층보다 3배나 높은 농도로 관측되었다.[13] 2020년에는 칼륨도 검출되었지만, 농도는 훨씬 낮았다.[14] HD 189733 b는 대기에서 이산화 탄소가 확인된 최초의 외계 행성이기도 하다. 2024년에는 HD 189733 b의 대기에서 황화 수소가 검출되었다.[15]

3. 2. 온도 및 기상 현상

2007년 스피처 우주 망원경으로 이 행성의 온도 지도를 그릴 수 있었다. HD 189733과 행성을 33시간 연속으로 관측했는데, 관측 시작 시점은 행성이 밤의 반구만을 지구에 보이고 있을 때였다. 시간이 지날수록 관측자 시야에는 이 행성의 낮 반구가 점점 드러나 보였다. 여기서 표면 온도는 973,000에서 1,212,000 사이로 측정되었으며, 이를 통해 한쪽 면이 받은 열이 행성 전체로 고루 퍼지고 있음을 알 수 있었다. 이 행성에서 가장 뜨거운 지점은 항성의 빛을 정면으로 받는 부분이 아니라, 해당 지점에서 동쪽으로 30도 떨어진 곳이었다.[48]

HD 189733 b의 표면 온도 분포를 나타낸 지도


이 행성이 어머니 항성에 조석 고정 현상을 보이고 있다고 가정하면, 항성으로부터 받은 열은 시속 8700km/h의 초고속 바람에 실려 행성을 순환하고 있을 것이다.[16] 미국 항공우주국(NASA)은 HD 189733 b의 표면 온도를 밝기에 따라 구성하여 언론에 공개했는데, 이 온도 지도는 외계 행성의 표면을 지도로 작성한 첫 번째 사례이다.[17]

HD 189733 b에서는 유리의 주성분인 규산염 입자를 포함하는 최대 풍속 8700km/h에 달하는 맹렬한 바람이 행성의 낮에서 밤으로 불고 있다고 여겨진다.[55] 또한, 지금까지의 관측에서 HD 189733 b에서는 녹은 유리의 비가 내린다는 증거도 발견되었다.[56]

4. 진화

로시터-맥러플린 효과를 통해 행성의 궤도면과 주성의 적도면 사이의 각도를 측정한 결과, HD 189733 b는 -0.5 ± 0.4°로 거의 일직선으로 정렬되어 있다.[57][58] 이는 HD 149026 b의 경우와 유사하며, HD 189733 b가 원시 행성계 원반과의 상호 작용을 통해 형성되었음을 시사한다. 만약 다른 원시 행성과의 격렬한 상호 작용이 있었다면 훨씬 더 큰 각도가 나타났을 것이다.

5. 항성과 행성의 상호 작용 (논쟁)

2008년, 천문학자 팀은 외계 행성 HD 189733 A가 궤도의 특정 위치에 도달하면 별 플레어가 증가한다고 처음 기술했다.[25] 2010년, 다른 팀은 외계 행성을 궤도의 특정 위치에서 관측할 때마다 X선 플레어를 감지했다.[25] 2000년 이후의 이론 연구에 따르면, 별과 매우 가까운 외계 행성은 자기장의 상호 작용이나 조석력으로 인해 플레어가 증가할 수 있다.[25] 2019년, 천문학자들은 아레시보 천문대, MOST, 자동 광전 망원경의 데이터를 분석하고, 과거의 별 관측 데이터를 무선, 광학, 자외선 및 X선 파장에서 분석하여 이러한 주장을 검토했다.[25] 그들은 이전의 주장이 과장되었으며, 모항성이 흑점을 포함한 별 플레어 및 태양 활성 영역과 관련된 많은 밝기 및 스펙트럼 특성을 나타내지 못했음을 발견했다.[25] 그들의 통계 분석은 또한 많은 별 플레어가 외계 행성의 위치와 관계없이 관측되었으며, 따라서 이전 주장을 반박했다.[25] 모항성과 외계 행성의 자기장은 상호 작용하지 않으며, 이 시스템은 더 이상 "별-행성 상호 작용"을 가지는 것으로 여겨지지 않는다.[25]

6. 위성 존재 가능성

일부 연구에서 HD 189733 b 주변에 외계 위성 후보가 존재할 수 있다는 주장이 제기되었다. 2014년 연구에서는 HD 189733 b에서 방출되는 빛의 주기적 증가 및 감소를 연구하여 위성의 존재를 추정했다. 그러나 이 위성은 행성의 힐 권 바깥에 위치하여 존재 가능성이 희박하다고 보았다.

2019년과 2020년, 같은 연구팀은 나트륨과 칼륨 검출을 바탕으로 HD 189733 b를 포함한 여러 뜨거운 목성 주변에 화산 활동이 활발한 외계 위성, 즉 이오와 유사한 '엑소-이오'가 존재할 가능성을 제시했다. 이는 증발하는 외계 위성 및/또는 해당 가스 토러스와 일치하는 결과였다. 그러나 2022년 후속 연구에서는 HD 189733 b 주변에서 외계 위성에 대한 증거를 찾지 못했다.

HD 189733 b에서는 나트륨과 칼륨이 검출되었는데, 2019년에는 이 물질들이 활발한 화산 활동을 하는 위성으로부터 방출되었을 가능성이 제기되었다. 이처럼 외계 위성 중에서도 격렬한 화산 활동을 일으키며 우주 공간에 나트륨이나 칼륨 등을 방출하는 위성은 목성의 위성 이오와 유사하여 엑소-이오라고 불린다. 나트륨이나 칼륨의 검출이 반드시 엑소-이오의 존재를 증명하는 것은 아니지만, 이 연구에서는 HD 189733 b를 포함하여 특히 5개의 외계 행성에 엑소-이오가 존재할 가능성이 높다고 보았다.

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