캘리포니아 주 패서디나에 있는 NASA 제트 추진 연구소의 연구원들은 바로 여기 지구에서 외계 대기를 "요리"하고 있습니다. 새로운 연구에서 JPL 과학자들은 고온 "오븐"을 사용하여 수소와 일산화탄소의 혼합물을 녹은 용암의 온도와 동일한 1°C(100°F) 이상으로 가열했습니다. 목표는 "뜨거운 목성"이라고 불리는 특별한 종류의 외계 행성(태양계 밖의 행성)의 대기에서 발견될 수 있는 조건을 시뮬레이션하는 것이었습니다.

목성 = 우주 거인

뜨거운 목성은 우리 태양계의 행성과 달리 모항성에 매우 가깝게 공전하는 가스 거인입니다. 지구는 365일 만에 태양 주위를 공전하는 반면, 뜨거운 목성은 10일 이내에 별 주위를 공전합니다. 별과의 거리가 짧다는 것은 별의 온도가 530~2°C(800~1°F) 이상에 도달할 수 있음을 의미합니다. 이에 비해 수성(000일 동안 태양을 공전하는) 표면의 더운 날 온도는 약 5°C(000°F)에 이릅니다.

지난 달 천체물리학 저널에 발표된 새로운 연구를 수행한 그룹을 이끌었던 JPL 수석 과학자 머시 구디파티(Murthy Gudipati)는 다음과 같이 말합니다.

"이 외계 행성의 가혹한 환경에 대한 정확한 실험실 시뮬레이션은 불가능하지만 매우 유사하게 모방할 수 있습니다."

연구팀은 주로 수소 가스와 0,3% 일산화탄소 가스의 간단한 화학적 혼합물로 시작했습니다. 이 분자들은 우주와 초기 태양계에서 매우 흔하므로 논리적으로 뜨거운 목성의 대기를 형성할 수 있습니다. 그런 다음 혼합물을 330~1°C(230~620°F)로 가열했습니다.

연구원들은 또한 이 실험실 혼합물을 다량의 자외선에 노출시켰습니다. 이는 모항성 근처에서 공전하는 뜨거운 목성에 영향을 미칠 수 있는 것과 유사합니다. 자외선은 효과적인 성분임이 입증되었습니다. 그의 연구는 뜨거운 대기에서 일어날 수 있는 화학적 현상에 관한 놀라운 연구 결과에 크게 관여했습니다.

뜨거운 목성

뜨거운 목성은 큰 행성으로 간주되며 차가운 행성보다 더 많은 빛을 방출합니다. 이러한 요인 덕분에 천문학자들은 대부분의 다른 유형의 외계 행성보다 대기에 대해 더 많은 정보를 얻을 수 있었습니다. 관측에 따르면 뜨거운 목성의 대기 대부분은 높은 고도에서 불투명합니다. 불투명성은 부분적으로 구름으로 설명될 수 있지만 이 이론은 압력이 감소함에 따라 타당성을 잃습니다. 대기압이 매우 낮은 곳에서도 불투명함이 관찰되었습니다.

오른쪽 이미지의 작은 사파이어 디스크는 고온 용광로 내부에서 생성된 유기 에어로졸을 보여줍니다. 왼쪽 드라이브는 사용되지 않았습니다. 이미지 출처: NASA / JPL-Caltech

그래서 과학자들은 다른 가능한 설명을 찾았고 그 중 하나는 에어로졸, 즉 대기에 포함된 고체 입자일 수 있습니다. 그러나 JPL 연구원에 따르면 과학자들은 목성의 뜨거운 대기에서 에어로졸이 어떻게 형성될 수 있는지 알지 못했습니다. 뜨거운 화학 혼합물이 UV 방사선에 노출되었을 때 새로운 실험에서만 이를 모방하는 것이 가능했습니다.

Benjamin Fleury, 연구 과학자이자 JPL 연구의 주요 저자

"이 결과는 목성의 흐릿하고 뜨거운 대기를 해석하는 방식을 바꿉니다. 앞으로 우리는 이러한 에어로졸의 특성을 연구하고 싶습니다. 우리는 그것들이 어떻게 형성되고, 어떻게 빛을 흡수하며, 주변 환경의 변화에 ​​어떻게 반응하는지 더 잘 이해하고 싶습니다. 이 모든 정보는 천문학자들이 행성을 관찰할 때 무엇을 보고 있는지 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. "

수증기 발견

이 연구는 또 다른 놀라움을 안겨주었습니다. 화학 반응으로 인해 상당한 양의 이산화탄소와 물이 생성되었다는 것입니다. 수증기는 목성의 뜨거운 대기에서 발견된 반면, 과학자들은 이 희귀한 분자가 탄소보다 산소가 더 많이 존재할 때만 형성될 것으로 예상했습니다. 탄소와 산소가 같은 비율로 존재하더라도 물이 형성될 수 있다는 새로운 연구 결과가 나왔습니다. (일산화탄소에는 탄소 원자 XNUMX개와 산소 원자 XNUMX개가 포함되어 있습니다.) 추가적인 UV 조사 없이도 이산화탄소(탄소 원자 XNUMX개와 산소 원자 XNUMX개)가 생성된 반면, 모의 별빛을 추가하면 반응이 가속화되었습니다.

JPL 외계 행성 과학자이자 이번 연구의 공동 저자인 마크 스웨인(Mark Swain)은 다음과 같이 말합니다.

"이 새로운 결과는 목성의 뜨거운 대기에서 우리가 보는 것을 해석하는 데 즉시 유용합니다. 우리는 이러한 대기에서 화학반응이 온도에 가장 큰 영향을 받는다고 가정했지만 이제 방사선의 역할도 살펴볼 필요가 있음이 밝혀졌습니다.'

2021년에 출시될 예정인 NASA의 제임스 웹 우주 망원경과 같은 차세대 장비를 통해 과학자들은 외계 행성 대기에 대한 최초의 상세한 화학적 프로필을 만들 수 있습니다. 그리고 첫 번째 중 하나가 바로 뜨거운 목성 주변의 사람들일 가능성이 있습니다. 이러한 연구는 과학자들이 다른 태양계가 어떻게 형성되는지, 그리고 그것이 우리 태양계와 얼마나 유사하거나 다른지를 이해하는 데 도움이 될 것입니다.

JPL 연구원들에게 있어 작업은 이제 막 시작되었습니다. 일반적인 용광로와 달리 가스 누출이나 오염을 방지하기 위해 용광로가 밀봉되어 있어 과학자들이 온도 상승에 따라 압력을 제어할 수 있습니다. 이 장비를 사용하면 이제 훨씬 더 높은 온도(최대 1600°C(3000°F))에서도 외계 행성 대기를 시뮬레이션할 수 있습니다.

JPL 연구의 공동 저자인 Bryana Henderson

“이 시스템을 성공적으로 설계하고 운영하는 것은 끊임없는 도전입니다. 유리나 알루미늄과 같은 대부분의 표준 구성 요소는 이러한 높은 온도에서 녹습니다. 우리는 실험실에서 이러한 화학 공정을 안전하게 시뮬레이션하면서 경계를 넓히는 방법을 끊임없이 배우고 있습니다. 그러나 결국 실험이 우리에게 가져오는 흥미로운 결과는 추가 작업과 노력을 들일 가치가 있습니다."