외계 행성 대기의 이산화탄소 식별

Nature 614권, 649~652페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

이산화탄소(CO2)는 광범위한 행성 대기에서 발견되는 주요 화학종입니다. 외계 행성의 맥락에서 CO2는 금속 농축(즉, 헬륨보다 무거운 원소, '금속성'이라고도 함)1,2,3 및 이에 따른 뜨거운 가스 거인의 1차 대기 형성 과정을 나타내는 지표입니다4,5 ,6. 또한 지구 외행성의 2차 대기에서 탐지할 수 있는 가장 유망한 종 중 하나입니다7,8,9. 이전에 스피처 우주망원경을 사용하여 이동하는 행성에 대한 측광 측정을 통해 CO2의 존재에 대한 힌트가 제공되었지만 명확한 분광학적 식별이 부족하여 확실한 탐지를 얻지 못했습니다10,11,12. 여기에서는 Early Release Science 프로그램의 일환으로 JWST를 사용하여 얻은 투과 분광학 관측을 통해 가스 거대 외계 행성 WASP-39b 대기에서 CO2 검출을 제시합니다. 이 연구에 사용된 데이터는 파장이 3.0~5.5마이크로미터에 걸쳐 있으며 4.3마이크로미터(26시그마 의미)에서 두드러진 CO2 흡수 특징을 보여줍니다. 전체 스펙트럼은 복사-대류-열화학적 평형을 가정하고 적당한 구름 불투명도를 갖는 1차원, 10배 태양 금속성 모델과 잘 일치합니다. 이 모델은 대기에 CO2 외에 물, 일산화탄소, 황화수소가 있어야 하고 메탄은 거의 없다고 예측합니다. 또한, 우리는 이 모델에서 재현되지 않는 4.0 마이크로미터 근처의 작은 흡수 특징을 잠정적으로 감지합니다.

WASP-39b는 뜨겁고(알베도가 0이고 열 재분배가 완전하다고 가정할 때 행성의 평형 온도는 1,170K) 4.055일의 주기로 G7형 별을 공전하는 통과 외계 행성입니다15. 이 행성은 토성과 질량이 거의 같지만(M = 0.28 MJ, 여기서 MJ는 목성의 질량) 약 50% 더 큽니다(반경 R = 1.28 RJ, 여기서 RJ는 목성의 반경). 호스트 별로부터 받는 방사선 수준16,17,18. 우리는 JWST Early Release Science(ERS) 투과 분광학 관측을 위해 이 행성을 선택했습니다. 기존 우주 및 지상 기반 데이터 분석에서 큰 스펙트럼 특징이 감지되었고 항성 활동으로 인한 행성 신호 오염이 최소화된 것으로 나타났기 때문입니다10,19,20, 21. 이전에 감지된 주요 스펙트럼 특징은 나트륨, 칼륨 및 수증기 흡수에 기인한다고 확신한 반면, 이산화탄소(CO2)는 Spitzer10에서 볼 수 있는 4.5μm의 심부 통과를 설명하기 위해 제안되었습니다.

대기의 금속성은 가스 거대 행성이 형성되는 동안 고체와 가스의 상대적인 부착을 진단하는 것으로 오랫동안 생각되어 왔으며, 둘 다 수소가 지배적인 외피와 가시 대기에 무거운 원소를 가져옵니다4,5,6. 행성이 형성된 원시행성 원반의 금속 농축을 나타내는 WASP-39b의 모항성의 금속성은 대략 태양계이다15,22,23,24. 따라서 태양계 거인에서 관찰된 행성 질량-대기 금속성 추세는 그것이 태양계의 약 10배 향상될 것으로 예측합니다(토성과 유사; 참조 27). 또한, WASP-39b의 저밀도와 일치하는 내부 구조 모델은 행성에 중원소 핵이 없고 모든 금속이 고르게 분포되어 있다는 제한적인 가정 하에 대기 금속 함량이 태양의 55배에 대한 95번째 백분위수 상한을 예측합니다. 봉투 전체에28.

전송 스펙트럼에서 스펙트럼 특성에 대한 가장 높은 신호 대 잡음 감지 기능을 보유하고 있음에도 불구하고 WASP-39b에 대한 기존 데이터를 모델링하면 태양광의 0.003배에서 300배까지 5배에 달하는 금속성 추정 결과가 나왔습니다. 태양광10,29,30,31,32,33. 값의 범위가 넓다는 것은 전송 스펙트럼 모델34에서 구름과 금속성 사이의 퇴화를 깨기에는 데이터 품질이 충분하지 않을 뿐만 아니라 3.6μm 및 4.5μm에서 스피처 우주 망원경에 의한 광도 측정 해석에 대한 불확실성에서 비롯됩니다. 따라서 이 (및 기타) 거대한 외계 행성 대기의 금속성을 더 효과적으로 제한하려면 더 높은 정밀도, 더 미세한 스펙트럼 채널 및 더 넓은 파장 범위를 갖춘 분광학 데이터가 필요했습니다.