거꾸로 오이 모양의 궤도를 가진 이상한 행성이 다른 종류의 세계로 변하고 있습니다
애슐리 스트릭랜드, CNN
2024년 7월 18일 목요일 오전 6:05 AEST · 7분 읽기

NOIRLab/NSF/AURA/J. 다 실바
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천문학자들은 극심한 온도 변화를 겪는 고도로 긴 궤도를 가진 외계 행성을 발견했으며, 이는 다른 유형의 세계로 전환되고 있을 수 있습니다.

TIC 241249530 b라는 이름의 외계행성은 지구에서 약 1,100광년 떨어진 별을 공전하고 있습니다. 별은 쌍성 쌍 중 하나이므로 행성은 기본 별을 공전하고 기본 별은 보조 별을 공전합니다.

궤도가 잘못 정렬된 두 별 사이의 상호 작용으로 인해 이 행성이 “뜨거운 목성”이 되는 경로에 놓이게 될 수 있다고 수요일 네이처 저널에 발표된 연구에서 연구자들이 보고했습니다.

천문학자들은 5,600개 이상의 확인된 외계 행성을 발견했으며, 그 중 300~500개가 “뜨거운 목성”입니다. 이 행성들은 모항성을 가깝게 공전하는 목성과 같은 거대한 가스체로, 뜨거운 온도로 가열됩니다.

목성은 태양 주위를 한 바퀴 도는 데 지구 시간으로 4,000일이 걸리는 반면, 뜨거운 목성은 며칠에 한 번씩 한 바퀴를 돌고 있습니다.

과학자들은 큰 행성이 ​​먼 거리에서 별의 궤도를 돌면서 시작하지만 시간이 지남에 따라 더 가까이 이동한다고 믿습니다. 그러나 그들은 거대한 세계가 어떻게 그렇게 좁은 궤도에 있게 되는지 오랫동안 의문을 제기해 왔습니다. 이 궤도는 수성이 우리 태양보다 별에 훨씬 더 가깝습니다.

2020년 1월 NASA의 행성탐사 TESS 위성이 처음 포착한 TIC 241249530 b의 관측은 뜨거운 목성이 되는 길에 있는 행성이 무엇인지에 대한 희귀하고 계시적인 통찰력을 제공합니다.

“천문학자들은 20년 넘게 뜨거운 목성의 전조일 가능성이 있거나 이주 과정의 중간 산물인 외계 행성을 찾고 있었습니다. 그래서 나는 그것을 발견하게 되어 매우 놀랐고 기뻤습니다.”라고 수석 연구 저자인 Arvind는 말했습니다. Penn State에서 박사과정 학생으로 행성을 발견한 NOIRLab 박사후 연구원 굽타(Gupta)는 성명에서 이렇게 말했습니다.

변화하는 세상을 발견하다
2020년 1월 12일, 통과 외계 행성 조사 위성(Transiting Exoplanet Survey Satellite)은 호스트 별 TIC 241249530 앞을 무언가 지나가고 있음을 시사하는 데이터를 수집했습니다. TESS는 외계 행성의 존재를 나타낼 수 있는 별빛의 딥을 검색하기 위해 근처 별의 밝기를 모니터링합니다.

굽타와 그의 동료들은 데이터를 추적해 목성 크기의 행성이 별 앞을 지나가고 있다는 사실을 알아냈습니다. 그런 다음 그들은 애리조나주 Kitt Peak National Observatory에 있는 WIYN 3.5미터 망원경의 장비를 사용하여 별의 방사 속도 또는 행성의 중력이 별을 잡아당길 때 별이 얼마나 앞뒤로 흔들리는지 측정했습니다.

시선 속도 데이터는 또한 동일한 행성의 존재를 확인했으며, 연구자들이 목성보다 약 5배 더 크고 천문학자들이 고도의 이심 궤도라고 부르는 것을 명확히 하는 데 도움이 되었습니다.

천문학자들은 “이심”을 사용하여 0에서 1까지의 척도에서 행성의 궤도 모양을 나타냅니다. 0은 완벽한 원형 궤도와 동일합니다. 우리 태양계에서 지구의 이심률은 0.02인 반면, 명왕성의 태양 주위를 도는 타원형 궤도는 0.25로 간주됩니다.

연구원들에 따르면 새로 발견된 외계 행성의 이심률은 0.94로, 이는 지금까지 이동 중인 외계 행성 천문학자들이 발견한 것보다 더 긴 직사각형입니다. 이상한 세계는 호스트 별 주위의 한 궤도를 완료하는 데 약 6개월이 걸리며, 별에 극도로 가까워지기 전에 넓게 날아갔다가 오이 모양과 비슷한 좁은 타원형 궤도로 돌아옵니다.

“우리는 이 거대한 행성이 별에 가까이 다가가는 동안 급격한 급회전을 하는 것을 포착했습니다.” 연구 공동 저자이자 Penn State의 Verne M. Willaman 천문학 교수인 Suvrath Mahadevan이 성명에서 말했습니다. “이렇게 고도로 이심률이 높은 통과 행성은 믿을 수 없을 정도로 드물며, 가장 기이한 행성을 발견할 수 있다는 것은 정말 놀라운 일입니다.”

행성은 별에서 불과 300만 마일 떨어져 있으며, 이는 수성이 태양에 도달하는 것보다 별에 10배 이상 더 가깝습니다. 참고로 NASA에 따르면 수성은 태양으로부터 평균 약 5,800만 킬로미터 떨어진 곳에 위치해 있습니다.

극단적인 궤도는 행성의 1년 동안 “엄청난 온도 변동”을 일으킨다고 Penn State의 천문학 및 천체 물리학 교수인 연구 공동 저자인 Jason Wright가 말했습니다.

Wright는 이메일을 통해 “구름 꼭대기의 온도는 별이 클로즈업된 며칠 동안 티타늄을 녹일 만큼 뜨거워집니다.”라고 말했습니다. “대부분의 궤도 동안 그것은 더 멀리 떨어져 있으며 가장 먼 지점에서 낮의 구름 꼭대기 온도는 지구의 따뜻한 여름날과 같습니다.”

연구팀은 또한 별의 자전과 비교했을 때 행성이 뒤로 공전하거나 반대 방향으로 움직이고 있다는 사실도 발견했습니다.

대부분의 외계 행성에서는 볼 수 없으며 우리 태양계에서도 발생하지 않습니다.

TIC 241249530 b에 대해 관찰된 모든 특이한 점은 천문학자들이 행성이 어떻게 형성되었는지 이해하는 데 도움이 됩니다.

굽타는 “되감기를 눌러 행성 이동 과정을 실시간으로 볼 수는 없지만 이 외계 행성은 일종의 이동 과정 스냅샷 역할을 한다”고 말했다. “이런 행성은 찾기 어렵습니다. 우리는 그것이 뜨거운 목성 형성 이야기를 푸는 데 도움이 되기를 바랍니다.”

‘궤도의 춤’
팀은 행성이 어떻게 그렇게 특이한 궤도에 있게 되었는지, 그리고 시간이 지남에 따라 어떻게 진화할 수 있는지를 결정하기 위해 시뮬레이션을 실행했습니다. 시뮬레이션에는 TIC 241249530 b와 호스트 별 및 보조 별 사이의 중력 상호 작용 모델링이 포함되었습니다.

연구팀은 이 행성이 모항성으로부터 멀리 떨어져 형성되어 목성과 유사한 넓은 원형 궤도에서 시작되었을 가능성이 있다고 추정했습니다. 그러나 호스트 별은 행성에 중력을 가하고 궤도를 확장한 두 번째 별과 궤도가 잘못 정렬되어 있다고 연구진은 말했습니다.

“많은 궤도를 돌면서 외별의 중력 영향으로 인해 TIC 241249530 b의 궤도가 바뀌어 점점 더 길어졌습니다.”라고 Wright는 말했습니다.

호스트 별이 지나갈 때마다 행성의 궤도는 에너지를 잃습니다. 따라서 천문학자들은 수억 년이 지나면 궤도가 줄어들고 안정화되어 현재 167일이 아니라 며칠만 지속될 것으로 추정합니다.

그러면 이 행성은 진정한 뜨거운 목성이 될 것이라고 연구 공동 저자이자 매사추세츠 공과대학 카블리 천체물리학 및 우주 연구 연구소의 물리학 조교수인 사라 밀홀랜드(Sarah Millholland)는 말했습니다.

Millholland는 “행성의 궤도 변화가 엄청나다는 점에서 이는 매우 극단적인 과정입니다.”라고 말했습니다. “이것은 수십억 년에 걸쳐 일어나고 있는 궤도의 큰 춤이며, 행성은 그 흐름을 따라가고 있습니다.”

쌍둥이 뜨거운 목성
TIC 241249530 b 이전에 알려진 초기 뜨거운 목성 중 유일하게 알려진 것은 2001년에 발견된 HD 80606 b라는 외계 행성이었습니다. HD 80606 b는 최근 발견 전까지 가장 이심 궤도를 가진 행성으로 간주되었습니다.

HD 80606 b는 이심률이 0.93이고 궤도가 111일로 짧으며 별과 같은 방향으로 공전합니다. 그러나 그렇지 않으면 행성은 사실상 쌍둥이라고 Wright는 말했습니다. 행성 궤도 진화의 짧은 단계에서 두 개의 행성을 찾는 것은 “번데기가 열리는 순간 나비를 우연히 만난 것과 같다”고 그는 말했습니다.

두 번째 뜨거운 목성 전구체를 발견하는 것은 천문학자들이 질량이 큰 가스 ​​거인이 편심 궤도에서 원형 궤도로 이동할 때 뜨거운 목성으로 변한다는 아이디어를 확인하는 데 도움이 된다고 연구진은 말했습니다.

팀은 James Webb 우주 망원경으로 TIC 241249530 b를 관찰하여 대기의 역학을 밝히고 이러한 급속한 가열에 어떻게 반응하는지 확인하기를 희망합니다. 그리고 뜨거운 목성으로 변하는 이와 같은 더 많은 행성에 대한 탐색이 계속되고 있습니다.

Millholland는 “이 시스템은 외계 행성이 얼마나 믿을 수 없을 정도로 다양할 수 있는지를 강조합니다.”라고 말했습니다. “그들은 어떻게 그 길에 이르렀고 어디로 가는지에 대한 이야기를 들려주는 거친 궤도를 가질 수 있는 신비한 다른 세계입니다. 이 행성의 경우 아직 여행이 끝나지 않았습니다.”

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Strange planet with a backward, cucumber-shape orbit is turning into another kind of world

Ashley Strickland, CNN

Thu 18 July 2024 at 6:05 am AEST·7-min read

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Astronomers have detected an exoplanet with a highly oblong orbit that experiences wild temperature swings — and it may be transitioning into another type of world.

The exoplanet, named TIC 241249530 b, orbits a star about 1,100 light-years from Earth. The star is one of a binary pair, so the planet orbits the primary star, while the primary star orbits a secondary star.

Interactions between the two stars, which have a misaligned orbit, could be responsible for putting this planet on the path to becoming a “hot Jupiter,” researchers reported in a study published Wednesday in the journal Nature.

Astronomers have found more than 5,600 confirmed exoplanets, and 300 to 500 of them are “hot Jupiters.” These planets are massive Jupiter-like gaseous bodies that closely orbit their host stars, which heats them to scorching temperatures.

While Jupiter takes 4,000 Earth days to complete one orbit around the sun, hot Jupiters complete one orbit every few days.

Scientists believe the large planets begin by orbiting their stars from a distance but migrate nearer over time. But they have long questioned how the massive worlds end up in such tight orbits, which are far closer to their stars than Mercury is to our sun.

The observations of TIC 241249530 b, first captured by NASA’s planet-hunting TESS satellite in January 2020, offer rare, revelatory insights into what may be a planet on the path to becoming a hot Jupiter.

“Astronomers have been searching for exoplanets that are likely precursors to hot Jupiters, or that are intermediate products of the migration process, for more than two decades, so I was very surprised — and excited — to find one,” said lead study author Arvind Gupta, NOIRLab postdoctoral researcher who discovered the planet as a doctoral student at Penn State, in a statement.

Spotting a changing world

On January 12, 2020, the Transiting Exoplanet Survey Satellite collected data suggesting that something was passing in front of the host star TIC 241249530. TESS monitors the brightness of nearby stars to search for dips in starlight that may indicate the presence of exoplanets.

Gupta and his colleagues followed up on the data and determined that a Jupiter-size planet was passing in front of the star. Then, they made measurements using instruments on the WIYN 3.5-meter Telescope at the Kitt Peak National Observatory in Arizona to determine the radial velocity of the star, or how much the star wobbles back and forth as the planet’s gravity tugs on the star.

The radial velocity data also confirmed the presence of the same planet, and helped the researchers clarify that is was about five times more massive than Jupiter and had what astronomers call a highly eccentric orbit.

Astronomers use “eccentric” to refer to the shape of a planet’s orbit on a scale from zero to 1. Zero equates to a perfectly circular orbit. In our solar system, Earth has an eccentricity of 0.02, while Pluto’s highly oval-shape orbit around the sun is considered 0.25.

The newly discovered exoplanet has an eccentricity of 0.94, which is more oblong than any other transiting exoplanet astronomers have ever found, according to the researchers. The oddball world takes about six months to complete one orbit around the host star, coming extremely close to the star before flinging out wide and then coming back to a narrow, oval orbit similar in shape to a cucumber.

“We caught this massive planet making a sharp, hairpin turn during its close passage to its star,” said study coauthor Suvrath Mahadevan, the Verne M. Willaman Professor of Astronomy at Penn State, in a statement. “Such highly eccentric transiting planets are incredibly rare — and it’s really amazing that we were able to discover the most eccentric one.”

The planet is just 3 million miles from its star, more than 10 times closer to the star than Mercury gets to the sun. For reference, Mercury is located about an average distance of 36 million miles (58 million kilometers) from the sun, according to NASA.

The extreme orbit causes “enormous temperature swings” over the course of the planet’s year, said study coauthor Jason Wright, professor of astronomy and astrophysics at Penn State.

“The temperature at the cloud tops gets hot enough to melt titanium during the few days it screams past the star closeup,” Wright said via email. “During most of its orbit, it is farther away, and at its farthest point the daytime cloud top temperature is like a warm summer day on Earth.”

The research team also discovered that the planet is orbiting backward or moving in the opposite direction when compared with the rotation of its star — a rare occurrence that hasn’t been seen in most exoplanets and doesn’t happen in our solar system.

All the quirks observed about TIC 241249530 b are helping astronomers understand how the planet formed.

“While we can’t exactly press rewind and watch the process of planetary migration in real time, this exoplanet serves as a sort of snapshot of the migration process,” Gupta said. “Planets like this are hard to find and we hope it can help us unravel the hot Jupiter formation story.”

A ‘dance of orbits’

The team ran simulations to determine how the planet may have ended up in such an unusual orbit as well as how it may evolve over time. The simulations included modeling the gravitational interactions between TIC 241249530 b and its host star as well as the secondary star.

The research team estimated that the planet likely formed far from the host star and began in a wide, circular orbit similar to Jupiter. But the host star has a misaligned orbit with the second star, which exerted gravitational forces on the planet and stretched out its orbit, the researchers said.

“Over the course of many orbits, the gravitational influence of that outer star altered the orbit of TIC 241249530 b, making it more and more elongated,” Wright said.

With each pass of the host star, the planet’s orbit loses energy, so astronomers estimate that in hundreds of millions of years, the orbit will shrink and stabilize to last just a few days rather than the 167 days its takes now.

Then, the planet will become a true hot Jupiter, said study coauthor Sarah Millholland, assistant professor of physics in the Massachusetts Institute of Technology’s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research.

“It’s a pretty extreme process in that the changes to the planet’s orbit are massive,” Millholland said. “It’s a big dance of orbits that’s happening over billions of years, and the planet’s just going along for the ride.”

Twin hot Jupiters

Before TIC 241249530 b, the only other known early hot Jupiter was an exoplanet called HD 80606 b, discovered in 2001. HD 80606 b was considered the planet with the most eccentric orbit until the recent discovery.

HD 80606 b has an eccentricity of 0.93 and a shorter orbit of 111 days, and it orbits in the same direction of its star. But otherwise, the planets are practically twins, Wright said. Finding two planets in such a brief stage of planetary orbital evolution is like “chancing upon a butterfly at the moment its chrysalis opens,” he said.

Discovering a second hot Jupiter precursor is helping astronomers to confirm the idea that high-mass gas giants transform into hot Jupiters as they migrate from eccentric to circular orbits, the researchers said.

The team hopes to observe TIC 241249530 b with the James Webb Space Telescope to uncover the dynamics of its atmosphere and see how it reacts to such rapid heating. And the search continues for more planets such as these transforming into hot Jupiters.

“This system highlights how incredibly diverse exoplanets can be,” Millholland said. “They are mysterious other worlds that can have wild orbits that tell a story of how they got that way and where they’re going. For this planet, it’s not quite finished its journey yet.”

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