젊은 외계 행성의 대기는 예상외로 탄생지와 다르다

일부 아이들이 육체적으로 부모를 닮는 것처럼, 많은 과학자들은 발전하는 행성이 그들을 탄생시키는 소용돌이치는 가스와 먼지 원반과 비슷해야 한다고 오랫동안 생각해 왔습니다.

그러나 새로운 연구에서 노스웨스턴 대학이 이끄는 천체 물리학자 팀은 유사점이 이전에 생각했던 것보다 느슨할 수 있음을 발견했습니다. 연구진은 아직 형성 중인 외계 행성과 그 주변의 출생 원반을 연구함으로써 원반 내의 가스와 비교하여 행성 대기의 가스 구성이 일치하지 않는다는 사실을 발견했습니다.

이 놀라운 발견은 과학자들의 현재 행성 형성 모델이 너무 단순화되었다는 오랜 회의론을 잠재적으로 확인시켜 줍니다.

이 연구는 수요일(12월 18일)에 발표될 예정입니다. 천체 물리학 저널 편지. 물리학자들이 외계 행성, 원시 원반, 호스트 별의 정보를 비교한 것은 이번이 처음입니다.

연구를 이끈 Northwestern 대학의 Chih-Chun "Dino" Hsu는 "관측 천체 물리학자들에게 널리 받아들여지는 행성 형성에 대한 한 가지 그림은 너무 단순화된 것 같습니다."라고 말했습니다. "간단한 그림에 따르면, 행성이 디스크의 가스를 통해 물질을 축적한다고 가정할 때, 행성 대기의 탄소와 산소 가스의 비율은 원시 디스크의 탄소와 산소 가스의 비율과 일치해야 합니다. 대신에 우리는 행성을 발견했습니다. 이제 우리는 행성 형성의 그림이 너무 단순화되었다는 의혹을 확인할 수 있습니다."

Hsu는 천체물리학 학제간 탐사 및 연구 센터(CIERA)의 박사후 연구원입니다. 그는 Northwestern Weinberg College of Arts and Sciences의 물리학 및 천문학 조교수이자 CIERA 회원인 Jason Wang의 조언을 받았습니다.

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모든 행성은 새로운 별을 둘러싸고 있는 가스와 먼지로 이루어진 회전하는 원반인 출생 원반에서 탄생합니다. 수백만 년에 걸쳐 중력은 가스와 먼지를 함께 끌어당겨 덩어리를 형성하고, 결국에는 행성으로 성장합니다. 최근까지 행성의 탄생을 추적하기 위해 출생 디스크를 직접 보는 것은 불가능했습니다. 관측 가능한 대부분의 외계 행성은 너무 오래되었기 때문에 원시 원반이 이미 사라졌습니다.

그러나 예외는 PDS 70b와 PDS 70c라고 불리는 두 개의 신생 가스 거대 외계 행성(목성과 유사)을 둘러싸고 있는 출생 디스크인 PDS 70입니다. 켄타우루스자리 방향으로 지구에서 불과 3억 6천 6백만 광년 떨어진 곳에 위치한 이 행성의 나이는 최대 5백만 년입니다.

Wang은 "이것은 우리가 두 행성이 여전히 형성되고 있는 것과 그들이 형성되는 물질을 볼 수 있는 시스템입니다"라고 말했습니다. "이전 연구에서는 이 가스 원반의 구성을 이해하기 위해 분석했습니다. 처음으로 우리는 여전히 형성되고 있는 행성 자체의 구성을 측정하고 원반의 물질과 비교하여 행성의 물질이 얼마나 유사한지 확인할 수 있었습니다."

행성 지문 조사

재료를 측정하기 위해 Hsu, Wang과 그들의 팀은 PDS 70b에서 방출되는 빛을 조사했습니다. 이 빛, 즉 스펙트럼은 마치 지문과 같아서 물체의 구성, 움직임, 온도 및 기타 특성을 드러냅니다. 각 분자 또는 요소는 자체 스펙트럼을 생성합니다. 따라서 이러한 스펙트럼을 연구함으로써 연구자들은 물체 내의 특정 분자나 요소를 정확히 찾아낼 수 있습니다.

이전 연구에서 Wang은 천문학자들이 훨씬 더 밝은 별 근처에 있는 희미한 물체의 스펙트럼을 포착할 수 있도록 하는 새로운 포토닉스 기술을 공동 개발했습니다. 연구자들은 이 기술을 사용하여 젊은 행성계의 희미한 특징에 초점을 맞췄습니다.

Wang은 "이 새로운 도구를 사용하면 매우 밝은 물체 옆에 있는 희미한 물체의 매우 상세한 스펙트럼을 얻을 수 있습니다"라고 말했습니다. "여기서 어려운 점은 정말 밝은 별 옆에 정말 희미한 행성이 있다는 것입니다. 대기를 분석하기 위해 행성의 빛을 분리하는 것은 어렵습니다."

스펙트럼을 통해 연구원들은 PDS 70b에서 일산화탄소와 물에 대한 정보를 얻었습니다. 이를 통해 그들은 행성 대기 내 탄소와 산소의 유추 비율을 계산했습니다. 그런 다음 그들은 그 비율을 이전에 보고된 디스크의 가스 측정치와 비교했습니다.

"우리는 처음에 행성의 탄소 대 산소 비율이 원반과 유사할 것으로 예상했습니다."라고 Hsu는 말했습니다. "그러나 그 대신에 우리는 행성의 산소에 비해 탄소가 원반의 비율보다 훨씬 낮다는 것을 발견했습니다. 이는 다소 놀라운 일이며 널리 받아들여지고 있는 행성 형성에 대한 우리의 그림이 너무 단순화되었음을 보여줍니다."

견고한 구성요소가 차이를 만들 수 있습니다.

이러한 불일치를 설명하기 위해 Hsu와 Wang은 두 가지 다른 시나리오가 있을 수 있다고 생각합니다. 한 가지 설명은 행성이 디스크에 탄소가 풍부해지기 전에 형성되었을 수도 있다는 것입니다. 또 다른 설명은 행성이 가스 외에 많은 양의 고체 물질을 흡수하여 대부분 성장했을 수도 있다는 것입니다. 스펙트럼에는 가스만 표시되지만 탄소와 산소의 일부는 처음에는 얼음과 먼지에 갇힌 고체에서 부착될 수 있습니다.

왕 교수는 “만약 행성이 얼음과 먼지를 우선적으로 흡수했다면 그 얼음과 먼지는 행성으로 들어가기 전에 증발했을 것”이라고 말했다. "따라서 가스와 가스를 단순히 비교할 수는 없다는 뜻일 수도 있습니다. 고체 성분이 탄소 대 산소 비율에 큰 차이를 만들 수 있습니다."

이 연구를 위해 팀은 PDS 70b만 연구했습니다. 다음으로 그들은 PDS 70 시스템에서 다른 행성의 스펙트럼을 관찰할 계획입니다.

"이 두 행성을 함께 연구함으로써 우리는 시스템의 형성 역사를 더 잘 이해할 수 있습니다"라고 Hsu는 말했습니다. "그러나 이것은 단지 하나의 시스템일 뿐입니다. 이상적으로 우리는 행성이 어떻게 형성되는지 더 잘 이해하기 위해 더 많은 시스템을 식별해야 합니다."

"PDS 70b는 별과 같은 탄소 대 산소 비율을 보여줍니다"라는 연구는 Heising-Simons 재단, Simons 재단 및 국립 과학 재단의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241218132152.htm