다양한 외계 행성들

다른 별들 주위에서 최근에 발견된 수백 개의 외계 행성들은 이전에는 전혀 상상하지 못했던 새로운 유형의 모습을 보여줍니다. 이들 중에는 그들의 태양 표면을 떠도는 거대한 가스 행성들과, 지구보다 훨씬 큰 거대한 암석질 행성, 그리고 죽은 별을 공전하는 행성들이 포함됩니다.

 

1990년대까지 천문학자들은 우리 태양계가 평균적인 것이라고 생각했습니다. 다른 항성계가 발견된다면, 비슷한 규칙을 따라 작은 암석질 행성들과 거대한 가스 행성들이 그들의 모항성 주위를 거의 원에 가까운 궤도를 따라 공전하고 있을 것이라고 예상했습니다. 그러나 지난 20년간의 발견들은 실제는 이와 매우 다르다는 것을 보여줬습니다. 우리 태양계의 정돈된 현재 상태는 그 역사 초기의 복잡한 과정의 운 좋은 결과물인 것으로 보이며, 다른 항성계의 행성 체계 규칙은 태양계가 따르는 규칙과는 판이합니다.

 

뜨거운 목성들

평범한 별 주위에서 발견된 최초의 외게 행성인 페가수스자리 51b는 이전에 생각했던 어떤 것들과도 다른 새로운 부류의 행성의 원형으로 밝혀졌습니다. 그것의 질량은 목성 질량의 절반(지구 질량의 150배 이상)이 넘고, 겨우 0.045천문단위(7백만km) 떨어진 지점에서 101시간의 주기로 페가수스자리 51을 공전합니다.

 

천문학자들은 그렇게 별과 가까운 거리에서 공전하는 무거운 행성은 고체의 암석질이어야 할 것으로 생각했지만, 어떠한 거대 행성도 그들의 모항성과 그렇게 가까이에 형성되지 않는다은 이론적인 문제가 있었습니다. 일단 그러한 행성들이 현재의 위치로 이동해 온 것임이 명확해지자, 천문학자들은 이 무거운 천체들은 거대한 가스 행성(소위 '뜨거운 목성들')일 것이라고 결론 내렸는데, 이는 이후 사실로 증명됐습니다.

 

거대한 가스 행성이 별에 그렇게 가까이 위치하면 별의 강렬한 열이 그 대기를 증발시켜 버리지 않을까요? 실제로 혜성 꼬리 같은 기체가 그 행성으로부터 분출되고 있는 것이 탐지됐습니다. 그러나 대부분의 거대 가스 행성들은 충분한 질량을 갖고 있어서 자신이 가진 기체들을 심지어 수천 도의 온도로 가열될 때조차 잘 붙잡아둘 수 있습니다.

 

뜨거운 목성들은 모두 그들이 경험하는 강력한 조석력의 결과로 이심률이 극히 낮은 원형의 궤도를 가지며, 이와 같은 힘이 그 자전 속도를 늦춰서 그들은 별을 향해 영원히 한 쪽 얼굴만을 보여 주며 그 결과 기묘한 기후가 만들어지게 됩니다. 

 

그러면 이 신기한 행성들은 어떻게 별에 가까이 다가가게 됐을까요? 태양계를 이해하는 데 매우 유용한 것으로 입증된 행성 이동 모형은 여기에는 적용되지 않는 것처럼 보입니다. 대신 뜨거운 목성들은 자신들의 별이 빛나기도 전인 항성계의 발달 초기에 이동해 온 것으로 보입니다.

 

이 모형에 따르면 거대한 가스 행성들의 형성은 원시행성 성운 안에 파동을 만드는데, 이 파동은 행성으로 하여금 각운동량을 잃고 안쪽으로 회전해 들어가게 만듭니다. 행성 이동은 별 내부에서 융합 반응이 시작되면서 끝이 나며, 그 복사와 항성풍은 성운의 잔해들을 불어서 날려 버립니다.

 

이상한 행성들, 이상한 궤도들

뜨거운 목성들은 새로운 부류의 행성들 중 하나일 뿐입니다. 해왕성 정도의 질량과 지구의 궤도보다 작은 궤도를 가진 '뜨거운 해왕성', 기체층을 잃어버리고 핵이 노출된 '크소니언 행성'들도 존재합니다. '슈퍼지구'라는 행성들은 지구 질량의 10배가 넘기도 합니다. 슈퍼지구 중 어떤 것들은 '기체 왜성'일 수도 있습니다.

 

이러한 행성들의 이상한 특징들은 그들의 물리적 구조와 관련된 것에만 그치지는 않습니다. 뜨거운 목성들이나 태양계의 행성들이 따르는 거의 원형에 가까운 궤도들은 일반적인 규칙이 아니라 예외적인 것으로 드러났으며, 대부분의 행성은 뚜렷한 터원형 경로를 따라 운동합니다. 심지어 어떤 것들은 쌍성계의 하나 또는 두 별 주위의 안정적인 궤도 속에서 발견되기도 합니다.

 

매력적인 펄사 행성들

가장 놀라운 집단은 펄사 행성으로, 여기에는 1992년 발견된 최초의 외계 행성도 포합됩니다. 펄사 행성들의 존재는 천문학자들에게 큰 고민거리를 남기는데, 펄사는 자신들 주위의 궤도에 존재하는 모든 행성을 파괴할 만큼 큰 힘을 가진 초신성에 의해 남겨진 잔해이기 때문입니다. 특히 몇몇 펄사 행성들은 지구와 태양 사이의 거리보다 더 가까이에서 펄사 주위를 공전합니다.

 

만일 행성들이 초신성의 폭발을 견뎌냈다고 하더라도, 그것들은 새롭게 형성된 펄사로부터 방출되는 고에너지 복사에 노출될 것인데, 이 고에너지 복사는 행성들의 표면을 모두 벗겨서 날려 버리고, 궁극적으로는 그 행성들이 우주 공간으로 증발해 버리게 만들 만큼 강력할 것입니다.

 

어떤 천문학자들은 펄사 행성들이 별 사이의 우주 공간을 배회하다가 초신성 폭발 이후에 궤도 안으로 포획됐거나, 또는 더 멀리 있다가 비교적 최근에 펄사를 향해서 회오리쳐 들어온 것일 수 있다고 생각했습니다. 그러나 2006년 적외선 스피처 우주망원경으로 지구로부터 13,000광년 떨어진 펄사 4U 0142+61의 주위에서 잔해들의 원반을 발견했습니다.

 

MIT의 딥토 차크라바티에 따르면 이 원반은 아마도 10만 년 전에 폭발한 초신성으로부터 만들어진 것으로 철이 풍부한 물질들로 구성돼 있을 것입니다. 평범한 별들 주위의 원시행성계 원반과 비교해 봤을 때, 이 원반은 궁국적으로 작고 밀도가 높은 행성 체계 안으로 결합해 들어갈 것으로 보입니다.

 

2011년 독일의 막스플랑크 전파 천문학 연구소의 연구원들은 행성이 만들어지는 더욱 이상한 방법에 대한 증거를 발표했습니다. 오스트레일리아의 천문학자 매튜 베일스 연구팀은 목성과 유사한 질량을 가진 행성이 불과 130분 만에 펄사 PSRJ1719-1438 주위를 한 바퀴 공전하는 것을 발견했습니다. 

 

행성이 이런 극한적 조건 속에서 살아남기 위해서는 그 밀도가 매우 높아야 하며, 따라서 연구원들은 그 행성이 사실은 펄사에 의해 외층이 벗겨져 날아가 버린 동반성의 살아남은 핵일 것이라고 믿습니다. 별의 외층으로부터의 압력이 제거됨에 따라 별의 핵 안에서 일어나던 핵융합은 멈춰 버리고, 그 핵은 정상보다 빨리 백색왜성으로 변합니다. 이 이상한 천체는 탄소가 풍부한 성분 때문에 '다이아몬드 행성'이라고 불립니다. 천문학자들이 미래에 이보다 더 이상한 행성을 발견할 것은 확실해 보입니다.