[우주저장소] 초고온 목성의 비밀

우주에는 정말 다양한 종류의 행성이 존재한다. 태양계와 같이 딱딱 나눠져있는 형태가 오히려 비정상적으로 보일 정도로 말이다.

태양계의 암석형 행성, 가스형 행성은 기본이고 심심찮게 발견되는 '슈퍼지구', '미니해왕성'을 비롯해 흔하게 발견되는 '뜨거운 목성'까지.

저마다의 개성을 가지고 있는 이러한 행성들을 보면, 우주에서 불가능한 것이 있는지 한 번쯤 생각하게 된다.

그런데 과학자들은 '초고온 목성'이라는 용어를 최근에 만들어냈다.

Ultrahot Jupiter-like Planet으로 불리는 이 행성은 뜨거운 목성(Hot Jupiter)과 여러모로 용어적인 면에서 닮은 것 같다.

하지만 Ultrahot 이라는 용어에서도 짐작할 수 있듯이 초고온 목성의 표면온도는 뜨거운 목성과는 비교할 수 없을정도로 높다.

뜨거운 목성의 표면온도를 대략 1천도라고 보면, 과학자들이 추산하는 초고온 목성의 표면온도는 2~3천도라고 한다.

도대체 모항성과 얼마나 가까이 붙어있길래 저런 무지막지한 표면온도를 지니게 되었을까?

초고온 목성 WASP 121b의 컨셉아트

초고온 목성의 대표격인 WASP 121b 행성을 보도록 하자.

WASP 121b는 WASP 121이라는 모항성을 끼고 도는 거대 가스행성으로, 모항성과 불과 300만km 떨어진 곳에서 1.2일을 주기로 돌고 있다.

다시말해 이 행성의 1년은 1.2일이라는 소리다... 심지어 모항성은 태양보다도 더 뜨거운 F타입이다. 

이렇게 가깝게 붙어서 공전하다보니 조석 고정(자전주기와 공전주기가 같아지는 현상)은 기본이고 

모항성을 바라보고 있는 쪽, 다시말해 행성의 낮 기온은 섭씨 2500도를 웃돌며, 밤의 기온도 섭씨 천도를 넘는다고 한다.

그렇다면 과학자들은 왜 이들을 뜨거운 목성이라고 표현하지 않고 굳이 '초고온 목성'이라고 말할까?

그들은 단순히 온도가 더 높아서 초고온 목성이라고 부르진 않았을 것이다.

 

잠시 딴 얘기좀 해볼까 한다.

우주에는 물이 흔할까?

물의 화학식은 H2O다. 수소 두개와 산소 하나가 결합한 단순한 물질이다. 

천문학자들은 우주를 구성하는 물질의 75퍼센트 이상이 수소로 되어있을 것이라고 보고 있다. 

산소는? 별이 핵융합을 하면 자연스럽게 튀어나오는 것이 산소이다. 물론 그 비중은 수소에 비하면 터무니없이 낮을 것이다.

아무튼 이런 연유로 우주에는 생각보다 물이 흔할 것으로 과학자들은 생각하고 있다.

그렇기에 물은 행성을 분류하는 데 있어서 상당히 좋은 지표로 활용된다.

뜨거운 목성에서 발견되는 수증기

예컨데, 최근 연구에 의하면 뜨거운 목성에는 우리의 상식과는 달리 물이 흔하다고 한다.

단, 뜨거운 목성은 이름 그대로 표면온도가 매우 높기 때문에 액체상태의 물이 존재하는 경우는 없고 '수증기' 형태로 대기중에 떠다닌다고 한다.

즉, 어떤 행성을 찾아냈는데 모항성과 가까이서, 모항성을 매우 큰 폭으로 떨게 만들며, 행성의 스펙트럼을 찍었을 때 

물의 흡수선이 관측된다면 그 행성은 '뜨거운 목성'일 확률이 매우매우 높아지는 것이다.

다시 본 주제로 돌아오자. 

앞서 말했다시피 뜨거운 목성은 물이 생각보다 흔할 것으로 과학자들은 보고 있다.

그렇다면 초고온 목성도 뜨거운 목성의 일종일 테니 물은 아마도 흔할 것이다.

그런데 웬걸? 과학자들은 뜨거운 목성에서 흔하게 발견되던 물을 초고온 목성에서는 거의 발견할 수 없었다.

 

짤은 수소의 분해지만 물도 이와 비슷한 과정을 겪기 때문에 참고 차원에서 넣어보았다.

그들은 어렵지 않게 그 원인을 생각해낼 수 있었다. 허블 우주망원경과 스피처 우주망원경을 통한 관측 결과는

초고온 목성이 행성보다는 오히려 갈색왜성이나 별에 준하는 대기 조성과 특성을 지녔음을 알려주고 있었기 때문이다.

즉, 너무 높은 온도 때문에 물이 수소와 산소로 분해가 돼버린 것이다.

 

뜨거운 목성은 극심한 온도차로 인해 매우 강력한 제트류가 형성되어 있다.

이렇게 분해된 수소와 산소는 낮과 밤의 극심한 온도차로 인해 발생된 강력한 제트류를 타고 행성의 반대편으로 이동한다. 

그곳의 표면온도는 섭씨 천도 안팎이기 때문에 수소와 산소는 다시 결합하여 잠시 수증기를 형성할 수 있을 것이다.

하지만 이 수증기는 곧 거대한 대류를 타고 모항성을 바라보고 있는 낮 지역으로 간다. 그곳에서 수증기는 다시 수소와 산소로 분리될 것이다.

이런 특이한 사이클은 다른 행성에서는 찾아볼 수 없는, 초고온 목성만의 특징이다.

그렇기에 과학자들은 이들을 뜨거운 목성이 아니라 초고온 목성이라고 부르는 것이다.

컴퓨터 시뮬레이션으로 재구성한 WASP 121b의 모습

초고온 목성은 또다른 흥미로운 점이 존재한다. WASP 121b를 비롯하여 지금까지 발견된 초고온 목성들의 공통점은 

이들 행성이 모두 빛을 거의 반사하지 않는다는 것이다. 따라서 본래라면 관측이 지금까지 이루어질 수 없었을 것이다.

그런데 허블 우주망원경, 스피처 우주망원경의 관측결과를 바탕으로 진행한 컴퓨터 시뮬레이션에 따르면 초고온 목성은 황갈색을 띤다고 한다.

이는 2천도를 훌쩍 넘는 표면온도로부터 방출되는 가시광선과 적외선에 의한 것이라고 생각할 수 있다.

빛을 거의 반사하지 않지만 자체적으로 빛을 내뿜는 행성인 것이다.

이러한 특징을 보면 정말로 항성과 많이 닮아있는것 같다. 마치 별이 되지 못한 한 때문에 별을 흉내내고 있는 듯한 모습을 보는 것 같기도 하다.

별을 흉내내는 행성이라니.. 참으로 신기하지 않은가?

3줄요약

1. 과학자들은 초고온 목성을 발견했다.

2. 기존의 뜨거운 목성보다 훨씬 뜨거워서

3. 마치 항성과도 같은 특징을 지니고 있다.

출처

https://phys.org/news/2018-08-astrophysicists-ultrahot-planets-starlike-atmospheres.html

https://www.jpl.nasa.gov/spaceimages/details.php?id=PIA22565