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대기층에 성층권있는 외계행성 발견

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2017년 08월 03일 02:00 프린트하기

‘행성 간 여행’이나 ‘새로운 우주거주지 건설’과 같은 우주계획을 세우려면 새로 발견된 외계행성의 대기층을 판독하는 일이 우선돼야 한다. 사람이 여행하기 적합한 환경인지부터 알아야 하기 때문이다.

 

최근 지구처럼 온도분포가 나뉜 대기층을 가진 외계행성이 처음으로 발견됐다.

 

외계행성 WASP-121b의 상상도 - Exeter University 제공
외계행성 WASP-121b의 상상도 - Exeter University 제공

영국 엑세터대와 미국항공우주국(NASA) 등 공동 연구팀은 지구에서 880광년 떨어진 곳에서 새로 발견된 행성 'WASP-121b'의 대기층 표면에서 고도가 올라감에 따라 온도가 상승하는 성층권의 특징이 나타났다고 2일(현지시각) 학술지 ‘네이처’에 발표했다.

 

일반적으로 행성 대기권에 오존과 같이 빛에너지를 흡수하는 물질이 없으면 고도가 높아질수록 온도는 낮아진다. 성층권과 비츳한 온도층이 발견된 것은 WASP-121B의 대기층이 온도에 따라 최소 2개 이상으로 분리돼 있음을 뜻한다.

 

허블망원경을 이용해 지난해 10월 처음으로 관측된 WASP-121b는 표면온도가 약 2200도에 달하는 전형적인 ‘목성형행성(또는 뜨거운 목성)’이다. 목성형 행성은 태양계의 지구나 화성, 목성처럼 모항성과 가까워 대기가 뜨겁고 공전주기도 비교적 짧은 행성을 말한다. 

 

논문 제1 저자인 엑세터대 천문학그룹 토마스 에반스 박사는 “WASP-121b 역시 높은 표면 온도로 볼 때 모항성에서 멀지 않은 목성형 행성일 것”이라며 “여기서 지구의 대기권에 있는 성층권의 특성을 찾았다”고 밝혔다.  

 

최상층의 열권을 제외하면 지구 대기층은 크게 대류권과 성층권으로 구성된다. 대류권은 고도가 높아질수록 온도가 떨어지며 성층권은 반대로 고도가 높아질수록 온도가 높아진다. 대류권에서는 고도 상승과 함께 지구 표면의 복사에너지와 잠열 등이 줄어들기 때문에 온도가 떨어진다. 반면 성층권에서는 태양에서 오는 자외선을 흡수하는 오존이 있어 고도가 높을수록 온도가 올라간다.  

 

지구표면의 대기층은 고도가 높아질수록 온도변화 양상이 달라진다. 대류권과 열권에서는 온도가 낮아지고 성층권에서는 반대로 높아진다 - Nature 제공
지구표면의 대기층은 고도가 높아질수록 온도변화 양상이 달라진다. 대류권(Troposphere)과 열권(Stratopause)에서는 온도가 낮아지고 성층권(Stratosphere)에서는 반대로 높아진다 - Nature 제공

연구팀은 WASP-121b 행성의 대기층에서 나오는 열스펙트럼을 찍은 자료를 바탕으로 1.2㎛(마이크로미터, 10-6m)와 1.4㎛ 파장의 빛을 찾아냈다. 기존에 보고된 물질의 특성과 비교한 결과 1.4㎛의 빛은 뜨거운 수증기로, 1.2 ㎛의 빛은 산화바나듐으로 결론 지었다.

 

이밖에도 산화티타늄도 일부 있는 것이 확인됐다. 산화바나듐이나 산화티타늄은 가시광선부터 적외선 영역의 빛을 흡수하는 물리적 성질을 갖고 있으므로 대기 중에 있으면 오존처럼 주변의 온도를 높일 수 있다.

 

에반스 박사는 “산화바나듐 등이 모항성에서 오는 복사에너지를 흡수해 지구의 성층권처럼 온도가 상승하는 구간이 생긴 것”이라며 “(WASP-121b는) 외계행성의 대기에서 온도 분포가 달라지는 분리된 층의 존재가 확인된 첫 관측사례”라고 말했다.

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