과학자들은 340광년 떨어진 다른 태양계 행성의 대기를 측정합니다.

아티스트의 외계행성 “뜨거운 목성” 개념. 출처: NASA, ESA 및 L. Hustak(STScI)

칠레의 쌍둥이자리 지구 천문대 망원경을 사용하는 국제 과학자 팀은 약 340광년 떨어진 다른 태양계 행성의 대기에 있는 물과 일산화탄소의 양을 직접 측정한 최초의 사례입니다.

연구팀은 애리조나 주립대학교 지구우주탐사대학 부교수인 마이클 레인(Michael Lane)이 이끌고 있으며, 그 결과는 오늘(2021년 10월 27일) 저널에 게재됐다. 성질.

우리 태양계 외부에는 수천 개의 알려진 행성이 있습니다(외계행성이라고 함). 과학자들은 우주 및 지상 기반 망원경을 모두 사용하여 이러한 외계 행성이 어떻게 형성되고 태양계의 행성과 어떻게 다른지 조사합니다.

이 연구에서 Laine과 그의 팀은 행성 “WASP-77Ab”에 초점을 맞추었습니다. 외계 행성 “뜨거운”이라고 불리는 목성“그들은 우리 태양계의 목성과 비슷하지만 2000도 이상의 온도를 가지고 있기 때문에 NS.

그런 다음 그들은 궤도의 별과 비교하여 어떤 요소가 존재하는지 결정하기 위해 대기의 구성을 측정하는 데 집중했습니다.

레인은 “크기와 온도를 고려할 때 뜨거운 목성은 대기 가스를 측정하고 행성 형성에 대한 이론을 테스트하는 데 탁월한 실험실”이라고 말했다.

우리는 아직 태양계 밖의 행성에 우주선을 보낼 수 없지만 과학자들은 망원경을 사용하여 외계 행성의 빛을 연구할 수 있습니다. 그들이 이 빛을 관찰하는 데 사용하는 망원경은 다음과 같은 공간에 있을 수 있습니다. 허블 우주 망원경, 또는 쌍둥이자리 천문대 망원경과 같은 지구에서.

Lane과 그의 팀은 허블을 사용하여 외계 행성의 대기 조성을 측정하는 데 광범위하게 참여했지만 이러한 측정을 얻는 것은 어렵습니다. 망원경 시간에 대한 치열한 경쟁이 있을 뿐만 아니라 허블 기기는 물(또는 산소)만 측정하고 팀은 일산화탄소(또는 탄소) 측정값도 수집해야 합니다.

이것이 팀이 쌍둥이자리 남망원경으로 눈을 돌린 곳입니다.

“우리는 질문에 답하기 위해 다른 것을 시도해야 했습니다.”라고 Lane이 말했습니다. “남쪽 쌍둥이자리의 능력에 대한 우리의 분석은 대기를 매우 정확하게 측정할 수 있음을 보여주었습니다.”

Gemini South는 칠레 안데스 산맥의 Cerro Pachón이라고 불리는 산에 위치한 직경 8.1미터의 망원경으로, 공기가 매우 건조하고 구름이 거의 없어 망원경의 주요 위치입니다. 국립과학재단(National Optical and Infrared Astronomy Research Laboratory)의 NOIRLab에서 운영하고 있습니다.

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팀은 IGRINS(Immersion Grating Infrared Spectrometer)라는 장비와 함께 Gemini South Telescope를 사용하여 호스트 항성을 공전하는 외계행성의 열광을 관찰했습니다. 이 장치에서 그들은 대기 중의 다양한 가스의 존재와 상대적인 양에 대한 정보를 수집했습니다.

지구 대기의 수증기와 이산화탄소의 양을 측정하는 데 사용되는 기상 및 기후 위성과 마찬가지로 과학자들은 쌍둥이자리 남쪽의 IGRINS와 같은 분광계와 망원경을 사용하여 다른 행성의 다양한 가스 양을 측정할 수 있습니다.

레인은 “행성의 대기 구성을 파악하는 것은 지문으로 범죄를 해결하려는 것과 같다”고 말했다. “얼룩이 묻은 지문은 범위를 좁히지 않지만 매우 깨끗하고 깔끔한 지문은 범죄를 저지른 사람에게 고유한 식별자를 제공합니다.”

허블 우주 망원경이 팀에 하나 또는 두 개의 신비한 지문을 제공한 반면, 쌍둥이자리 남쪽의 IGRINS는 팀에 수정같이 맑은 지문 전체 세트를 제공했습니다.

연구팀은 WASP-77Ab 대기에서 물과 일산화탄소를 모두 측정하여 외계행성의 대기에 있는 산소와 탄소의 상대적인 양을 추정할 수 있었습니다.

태양계 외부의 대기 도플러 이동

이 그림의 오른쪽 열에 표시된 도플러 이동을 측정하여 과학자들은 시간에 따라 지구를 향하거나 지구에서 멀어지는 행성의 궤도 속도를 재구성할 수 있습니다. 중간 열에 표시된 행성의 신호 강도는 행성이 별을 공전할 때 예상되는 겉보기 속도(바다 점선)를 따라 대기에 있는 다양한 가스의 양에 대한 정보를 포함합니다. 출처: P. Smith/M. Lines. 셀커크 / ASU

레인은 “이 금액은 우리의 예상과 일치했으며 호스트 스타의 금액과 거의 동일합니다.”라고 말했습니다.

외계 행성의 대기에서 풍부한 초미세 가스를 얻는 것은 특히 지상 기반 망원경의 경우 중요한 기술적 업적일 뿐만 아니라 과학자들이 다른 행성에서 생명체를 찾는 데 도움이 될 수도 있습니다.

“이 연구는 멀지 않은 미래에 잠재적으로 거주할 수 있는 세계에서 산소 및 메탄과 같은 생체특징 가스를 궁극적으로 측정하는 방법을 보여줍니다.”라고 Lane이 말했습니다.

Line과 팀이 다음에 할 일은 여러 행성에 대해 이 분석을 반복하고 최소 15개의 다른 행성에서 대기 측정의 “샘플”을 만드는 것입니다.

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“우리는 이제 태양계의 행성과 유사한 가스 존재비 분율을 얻을 수 있는 시점에 와 있습니다. 더 큰 외행성 샘플의 대기에서 탄소와 산소(및 기타 요소)의 풍부함을 측정하면 매우 필요한 정보를 얻을 수 있습니다. 목성과 같은 거대 가스의 기원과 진화를 이해하기 위한 맥락 토성라인이 말했다.

그들은 또한 미래의 망원경이 무엇을 제공할 수 있을지 기대하고 있습니다.

“우리가 오늘날의 기술로 이것을 할 수 있다면 거대 마젤란 망원경과 같은 새로운 망원경으로 무엇을 할 수 있을지 생각해보십시오.”라고 Lane이 말했습니다. “2010년 말까지 우리가 같은 방법을 사용하여 태양계 외부의 암석이 많은 지구와 같은 행성에서 탄소와 산소도 포함하는 잠재적인 생명 신호를 탐색할 수 있을 가능성이 있습니다.”

참조: Michael R. Line, Matteo Brugi, Jacob L. Penn, Siddharth Gandhi, Joseph Zaleski, Vivian Parmentier, Peter Smith, Gregory N.의 “Solar C/O and Quasi-solar Metallicity in Jupiter’s Hot Atmosphere” 메건 맨스필드, 엘리자 M. Kimton, Jonathan J. Fortney, Evgenia Shkolnik, Jennifer Passion, Emily Rausher, Jean-Michel Desert 및 Just B Wardner, 2021년 10월 27일, 성질.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03912-6

Line 외에도 연구팀에는 Arizona State University의 지구 및 우주 탐사 학교의 Joseph Zaleski, Evgenia Shkolnik, Jennifer Patchens 및 Peter Smith가 포함됩니다. 매튜 브루기(Matthew Bruggi)와 싯다르트 간디(Siddharth Gandhi)의 워릭 대학교 (영국); 제이콥 빈과 메건 맨스필드 시카고 대학교; Vivien Parmentier와 Joost Wardenier의 옥스퍼드 대학교 (영국); 오스틴에 있는 텍사스 대학의 그레고리 메이스(Gregory Mays). 메릴랜드 대학의 Eliza Kempton; 캘리포니아 대학교 산타 크루즈의 Jonathan Fortney; 미시간 대학의 Emily Rausher; 암스테르담 대학교의 장 미셸 사막.

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