원자력/우주항공

외계행성 대기 탈출 연구에서 취득한 성과

발행일 : 2019 / 10 / 14

중국과학원 윈난(云南)천문대 연구팀은 태양계 외부 행성 대기의 유체 역학적 탈출을 연구하고 행성 물질 손실률을 추정하는 에너지 제한 방정식을 수정했다. 해당 성과는 “Astronomy and Astrophysics”에 게재되었다.

학계관측과 이론적 발견에 따르면, 일부 외계행성은 대기 탈출을 경험한다. 대기탈출은 행성의 구성, 분포 및 진화에 영향을 미칠 수 있다. 행성대기의 물질 손실률은 대기탈출을 나타내는 주요 물리량이다. 행성은 주성의 강한 X선과 극자외선의 복사를 받아 대기가 가열된 후 팽창되어 행성의 중력 포텐셜을 극복하고 탈출하며 지속적인 물질 손실이 동반된다. 탈출한 입자는 일정한 운동에너지와 열에너지를 보유한다. 단위 시간당 탈출한 입자 질량을 질량 손실률이라 한다. 가열된 대기의 에너지가 모두 행성의 중력 포텐셜을 극복하는데 사용된다고 가정하면 행성 물질 손실률의 에너지 제한 방정식을 도출할 수 있다. 행성의 물질 손실률을 정확하게 추정하는 것은 행성의 형성과 진화, 그리고 대표본 조합을 연구함에 있어서 중요한 의미가 있다.

연구팀은 대기탈출의 1차원 유체역학 모델을 이용하여 근 450개의 외계행성 시스템을 연구하여 유체역학적 물질 손실률, 가열 효율 및 극자외선 특성 흡수 반경을 밝혔다. 또한 이를 기반으로 에너지 제한 방정식의 물질 손실률과 비교하였다.

연구 결과, 행성이 흡수한 극자외선복사 플럭스 또는 물질 손실률이 특정 값보다 높을 경우 에너지 제한 방정식이 추정한 물질 손실률은 유체역학적 모델에 의해 주어진 물질 손실률보다 더 높았다. 즉, 물질 손실률이 높게 추정되었다. 에너지 제한 방정식에서 탈출 입자의 운동 에너지와 열에너지를 고려할 경우, 에너지 제한 방정식의 물질 손실률은 유체 역학과 거의 일치했다. 이는 행성의 중력 포텐셜과 X선 및 극자외선 복사의 적산 유량의 곱셈 증가에 따라 입자의 운동 에너지와 열에너지 변화의 합이 점차 증가하기 때문에 행성의 포텐셜 에너지 변화와 비교할 수 있다.