KELT-9b

1. 개요

KELT-9b는 2014년 KELT 망원경 관측으로 발견된 외계행성으로, 뜨거운 A형 주계열성 KELT-9을 공전한다. KELT-9b는 지금까지 발견된 외계행성 중 표면 온도가 가장 높은 행성 중 하나로, 낮 반구의 온도는 4050~4600 켈빈에 달한다. 목성 질량의 약 2.88배, 반지름은 목성의 약 1.891배인 거대 가스 행성이며, 모항성에 조석 고정되어 있다. 대기는 극도로 뜨거워 철, 타이타늄 등의 원자 형태로 존재하며, 대기 탈출이 활발하게 일어나고 있다. KELT-9는 태양보다 질량과 반지름이 크고 표면 온도가 높은 항성으로, KELT-9b는 이례적으로 뜨거운 항성을 공전하는 행성으로 주목받고 있다.

2. 발견

킬로도 극소 망원경(KELT)을 통해 2014년에 행성 후보로 제시되었으며, 2015년 추가 관측을 통해 행성으로 확인되었다. 2017년 논문을 통해 자세한 성질이 공개되었다. 행성이 항성 앞을 지나갈 때 발머 Hα 선의 흡수가 일어나는 것을 관측하여 존재를 입증했다. 미국 오하이오 주립 대학교의 스콧 가우디 연구팀이 이 행성 연구에 참여했으며, TESS 우주망원경, 제임스 웨브 우주망원경 등을 활용한 후속 연구가 진행될 예정이다.

3. 특징

KELT-9b는 KELT를 통해 발견되었으며, 2017년 논문을 통해 그 범상치 않은 특징이 공개되었다. 이 행성은 항성 앞을 지나갈 때 발머 Hα 선의 흡수가 일어나는 것을 관측하여 존재가 입증되었다.

KELT-9b의 어머니 항성인 A형 주계열성 HD 195689(또는 KELT-9)는 표면 온도가 10,170,000으로, 행성을 거느리는 항성 중 매우 뜨거운 편에 속한다. KELT-9b 발견 이전까지 행성을 거느리는 A형 주계열성은 6개에 불과했으며, B형 주계열성은 발견된 사례가 없었다. KELT-9의 분광형은 B9.5-A0 또는 A1으로, 행성이 있는 것으로 알려진 최초의 B형 항성(또는 B형에 가까운 A형 항성)이다.

KELT-9b는 어머니 항성에 조석 고정되어 있으며, 공전 궤도는 항성의 자전축에 대해 거의 수직을 이루고 있다.

이 행성은 지금까지 발견된 외계행성들 중 표면 온도가 가장 뜨거운 행성 중 하나이다(2019년 9월 기준). 낮의 반구면 온도는 4,050,000 ~ 4,600,000에 이르는데, 이는 적색왜성보다 뜨겁고 일부 K형 왜성보다도 높은 온도이다. '초고온목성'(ultra-hot jupiter)으로 분류될 정도로 극단적인 온도로 인해, 대기에는 보통 분자 형태로 존재하는 내화원소들이 중성 및 단일 이온화 원자 상태(철, 타이타늄, 크로뮴, 스칸듐, 이트륨 등)로 존재한다. KELT-9b의 수소 대기는 크게 확장되어 있으며, 로슈 엽에 가까울 정도로 팽창하여 빠른 속도로 대기가 탈출하고 있음을 시사한다.

3.1. 물리적 특성

KELT-9b는 목성 질량의 약 2.8배, 반지름은 목성의 약 1.89배에 달하는 비교적 큰 거대 가스 행성이다. 밀도는 목성의 절반 이하인데, 이는 모항성으로부터 받는 막대한 복사 에너지로 인해 대기가 크게 부풀어 올랐기 때문으로 추정된다. 많은 뜨거운 목성과 마찬가지로 KELT-9b는 모항성과 조석 고정되어 있다.

대기 바깥 경계는 거의 로슈엽에 도달하여, 행성이 모항성으로부터 받는 극심한 양의 복사에 의해 빠르게 대기 탈출을 겪고 있음을 시사한다. 2020년 연구에 따르면 대기 손실률은 10억 년당 18~68 지구 질량으로 측정되었다.

2022년 현재, KELT-9b의 원소 풍부도는 대체로 알려지지 않았지만, 낮은 탄소 대 산소 비율을 가질 것으로 예상된다. KELT-9b는 낮 측 온도가 일부 K형 주계열성보다 더 뜨거운, 가장 뜨거운 외계 행성 중 하나이다.

낮 측에서는 분자가 구성 원자로 분해되어 중성 산소, 중성 및 단일 이온화된 원자 철(Fe 및 Fe⁺) 및 단일 이온화된 티타늄 (Ti⁺)을 포함한 중금속 원자 종으로 존재한다. 이 원자들은 밤 측으로 이동하여 온도가 낮아지면 일시적으로 재결합한다. 이는 낮 측과 밤 측 사이의 0.3의 향상된 열 전달 효율로 간접적으로 확인되었으며, 이는 분자 수소의 해리와 재결합의 잠열에 의해 구동될 가능성이 높다. 2021년 관측된 스펙트럼에서는 금속 산화물과 수소화물이 존재함이 나타났지만, 고해상도 스펙트럼에서는 행성 낮 측에서 분자 방출이 발견되지 않았다.

KELT-9b의 열권 층은 철과 같은 중금속 원자의 이온화에 의해 가열될 것으로 예상된다.

3.2. 대기 조성

KELT-9b의 대기는 너무 뜨거워서 보통 분자에 묶여 있는 내화원소들이 중성 및 단일 이온화 원자 철(Fe 및 Fe⁺), 단일 이온화 타이타늄(Ti⁺)처럼 원자 형태로 존재할 수 있다. 2019년 연구에서 과학자들은 이 행성의 대기에 기존의 철과 타이타늄 외에 크로뮴, 스칸듐, 이트륨이 기화된 상태로 있음을 추가로 발견했다.

낮 측면의 분자는 구성 원자로 분해되어 일반적으로 격리된 중금속 원자 종으로 존재할 수 있으며, 중성 산소, 중성 및 단일 이온화된 원자 철 (Fe 및 Fe⁺) 및 단일 이온화된 타이타늄 (Ti⁺)을 포함한다. 밤 측면으로 이동하여 온도가 낮아지면 일시적으로 재결합한다. 이는 낮 측면과 밤 측면 사이의 0.3의 향상된 열 전달 효율로 간접적으로 확인되었으며, 이는 분자 수소의 해리와 재결합의 잠열에 의해 구동될 가능성이 높다. 2021년에 촬영된 스펙트럼은 행성 대기에 금속 산화물과 수소화물이 존재함을 명백하게 나타냈지만, 2021년에 촬영된 더 높은 해상도의 스펙트럼에서는 행성 낮 측면에서 분자 방출이 발견되지 않았다.

KELT-9b의 열권 층은 철과 같은 중금속 원자의 이온화에 의해 구동되어 까지 가열될 것으로 예상된다.

4. 항성 (KELT-9)

KELT-9는 태양보다 2~3배 크고 질량도 2~3배 더 크다. 표면 온도는 10,170,000로, 통과하는 행성을 가진 별치고는 이례적으로 뜨겁다. KELT-9b가 발견되기 전에는 단 6개의 A형 별에서 행성이 발견되었는데, 가장 따뜻한 별인 WASP-33의 온도가 7,430,000로 훨씬 낮았고, B형 별에서 행성이 발견된 사례는 없었다. KELT-9는 B9.5-A0로 분류되며, 행성을 가진 것으로 알려진 최초의 B형 별일 수 있다. KELT-9b는 KELT-9에서 불과 0.03462AU 떨어진 곳에서 원형 궤도를 돌지만, 궤도 경사가 매우 크고 궤도 주기는 1.5 일 미만이다.

주성은 흰색의 분광형 A0 또는 A형과 B형의 경계선상의 항성으로 여겨지며, A형 항성을 공전하는 행성은 KELT-9b를 제외하고 24개 밖에 발견되지 않았으며, 더 고온의 B형 항성을 공전하는 행성은 발견되지 않았다.

5. 추가 정보

KELT-9b는 KELT(Kilodegree Extremely Little Telescope)를 통해 발견되었으며, 주성에 조석 고정되어 있고, 공전 궤도는 항성의 자전축에 대해 수직을 이루고 있다.

이 행성은 모항성으로부터 받는 극자외선은 A형별 WASP-33을 공전하는 WASP-33b의 700배 이상이며, 강한 자외선에 의해 혜성처럼 꼬리를 끌고 있을 가능성도 제기되고 있다. KELT-9b의 대기는 알려진 다른 행성들과는 매우 다르며, 질량은 전형적인 행성과 비슷하지만 대기 구성은 크게 차이가 난다. 이 행성의 대기에는 분자가 포함되는 것이 일반적이지만, 이 행성의 낮쪽에서는 격렬한 자외선이 방해하기 때문에 물, 이산화 탄소, 메탄 등의 분자는 형성되지 않는다. 밤쪽도 아마 고온이 되어 분자는 생성되어도 일시적인 것으로 생각된다.