스페이스 클럽 '하프 골디락스(Half-Goldilocks)' 세계가 거주 가능 지역을 드나드는 발견

[발사통제동]

행성계의 얼어붙은 황무지에서 거주 가능 영역의 안쪽 가장자리까지 궤도를 그리는 기괴한 외계 행성은 어떤 종류의 행성이 잠재적으로 생명을 지탱할 수 있는지에 대한 천문학자들의 개념에 도전하고 있습니다.

HD 20794d와 같은 초지구에 대한 예술가의 인상. 이미지: ESO/M. Kornmesser.

외계행성 HD 20794d는 19.7광년 떨어진 에리다누스자리 방향으로 +4.3등급의 별 82 에리다니 주위를 돌고 있다. 이 행성은 이 행성계에서 발견된 세 번째 행성이며, 2011년에 발견된 것으로 여겨졌던 네 번째 행성은 이후 제외되었다.

두 개의 내부 행성인 HD 20794b와 c는 지구의 두 배가 조금 넘는 질량을 가지고 있으며, 각각 18.3일과 89.6일마다 태양과 같은 별을 공전한다. 2015년에 확인된 HD 20794d는 질량이 지구보다 6.6배 크며 647일마다 별을 공전한다. 그러나 유럽남방천문대(ESO)의 에스프레소(ESPRESSO)와 하프스(HARPS) 분광기를 사용한 천문학자들의 새로운 연구는 HD 20794d에 대해 매우 흥미로운 사실을 발견했다.

우리 태양계의 행성은 모두 대략 원형 궤도를 가지고 있는 반면, 혜성은 궤도가 더 길어 다시 멀리 이동하기 전에 태양에 가깝게 만드는 경향이 있습니다. 우리는 그러한 신장의 정도를 궤도의 '이심률'이라고 부릅니다. 이심률 0은 완벽한 원형 궤도를 나타내고, 이심률 1은 쌍곡선 궤도를 나타냅니다. 태양계에서 원형 궤도가 가장 작은 행성인 수성은 이심률이 0.2입니다.

HD 20794d는 다릅니다. 우리는 행성이 별을 통과하는 것을 볼 수 없지만, 별이 별에 가하는 중력을 감지할 수 있으며, 이로 인해 별이 별과 행성 사이의 공통 질량 중심 주위에서 흔들리게 됩니다. 행성이 별에 가까울수록 이 흔들림은 더 커지는데, 이는 별이 이리저리 흔들릴 때 별의 빛의 적색편이와 청색편이에서 볼 수 있는 '반지름 속도'로 나타납니다. 칠레에 있는 제네바 대학의 자비에 뒤무스크(Xavier Dumusque)가 이끄는 연구팀은 초대형 망원경의 ESPRESSO(Echelle SPectrograph for Rocky Exoplanets and Stable Spectroscopic Observations)와 ESO의 3.6m 망원경의 HARPS(High Accuracy Radial-velocity Planet Searcher)를 사용하여 반경 속도를 측정한 결과 HD 20794d와 별로부터의 궤도 거리가 매우 크게 다르다는 것을 발견했다.

아파스트론(apastron)으로 알려진 가장 먼 지점인 HD 20794d는 별로부터 2천문단위(3억 킬로미터) 떨어져 있다. 이것은 화성이 태양으로부터 얻는 2억 2,800만 킬로미터보다 더 먼 거리입니다. 82 에리다니의 광도는 태양의 3분의 2에 불과하기 때문에, 화성이 바깥쪽 가장자리에 위치한 태양계의 거주 가능 영역에 비해 거주 가능 구역은 축소되어 있다. HD 20794d는 생명체가 살 수 있는 지역을 훨씬 넘어서는데, 그곳에서는 표면의 물이 모두 단단한 얼음일 것이다.

그러나 HD 20794d는 추운 날씨에 모든 시간을 보내지 않습니다. 궤도 이심률은 무려 0.4입니다. 궤도를 따라 이동하면서 별에 훨씬 더 가까워지고 거주 가능 영역에 들어가 금성이 태양과 거의 같은 0.75 천문 단위(6,970만 킬로미터)로 안쪽 가장자리로 이동합니다. HD 20794d가 이 여행을 계속하면서, 행성이 별에 가장 가까운 지점(페리아스트론이라고 불리는 지점)에 도달했을 때, 얼음이 녹아서 바다를 형성하고, 심지어 증발하기 시작하여 증기가 나는 대기를 생성할 수도 있다. 그런 다음 다시 멀어지기 시작하고 지표수는 다시 얼어 사이클을 다시 시작할 준비가됩니다.

HD 20794d의 이심률 궤도를 보아 거주 가능 구역 안팎으로 진입하는 모습. 이미지: Gabriel Pérez Díaz, SMM(IAC).

보통 20광년도 채 떨어져 있지 않은 태양과 같은 별의 거주 가능 구역에 있는 행성은 흥분의 원인이 될 수 있지만, 천문학자들은 거주 가능 구역에서 일부 시간만 보내는 HD 20794d를 어떻게 만들어야 할지 확신하지 못하고 있다. 생명체가 그러한 극한의 온도를 견딜 수 있을 것인가? 그것은 행성의 구성에 달려 있으며, 거주 가능한 지역을 넘어 약간의 열을 유지할 수 있을 만큼 충분히 두꺼운 대기를 가지고 있는지, 또는 아마도 얼어붙은 바다와 툰드라 아래의 거주 가능한 틈새가 깊은 겨울 동안 지속될 수 있는지에 달려 있습니다. 계절에 대해 말하자면, 지구의 계절은 23.4도 기울어진 행성에 의해 지배되는 반면, HD 20794d의 계절은 궤도에서 어디에 있는지에 의해서만 결정될 것이다.

지금까지 5,830개 이상의 외계행성이 발견된 것으로 확인되었으며, 천문학자들은 편심 궤도를 가진 행성이 태양계만을 기준으로 우리가 생각했던 것보다 더 흔하다는 것을 발견하고 있습니다. 이러한 편심 궤도는 행성이 형성되고 거대 행성이 이동하면서 우주를 약탈하다가 시스템에서 완전히 방출되었지만 다른 행성 주위를 밀지 않고는 불가능했을 수 있습니다. 모델에 따르면 목성과 토성은 주위를 많이 움직이며 다른 행성을 괴롭히지 않았기 때문에 지구의 궤도와 다른 지구형 행성의 궤도는 그대로 유지되었습니다.

거주 가능 지역 행성은 특히 태양과 같은 별 주변에서 더 멀리 궤도를 돌기 때문에 방사 속도 신호를 줄이고 통과 사이에 긴 간격을 남기는 경향이 있기 때문에 찾기가 더 어렵기 때문에 거주 가능 지역 안팎으로 이동하는 것으로 알려진 최초의 지구형 행성입니다. 그러나, 높은 이심률이 얼마나 흔한 것처럼 보이는지를 감안할 때, 이것이 이러한 '반쪽짜리 골디락스(half-Goldilocks)' 세계가 발견되는 마지막이 아닐 수도 있다. 그것이 더 넓은 우주에서 거주 가능성을 어디에 남겨 두는지는 두고 볼 일이다.

스페이스 클럽(Space Club)