KELT-9b는 어떻게 대부분의 별보다 뜨거울까? 극한의 외계행성 이야기

행성이 어떻게 대부분의 별보다 뜨거울 수 있을까요? 외계행성 KELT-9b는 매우 뜨거운 모항성 바로 가까이에서 공전하기 때문에 낮면 온도가 약 4,600K(섭씨 약 4,300도)에 이릅니다. 그렇다고 스스로 핵융합을 일으키는 별은 아닙니다.

2017년 발견된 이 행성은 백조자리 방향 약 670광년 떨어진 초고온 가스행성입니다. 암석 표면이 녹아내리는 행성이 아니라, 목성처럼 기체를 주성분으로 하는 거대 행성의 대기가 극심한 복사에너지에 노출된 사례입니다.

가스행성이 별보다 뜨거워지는 이유

별과 행성의 가장 큰 차이는 에너지를 만드는 방식입니다. 별은 내부 핵융합으로 빛을 내지만 KELT-9b는 외부에서 들어오는 강한 별빛으로 뜨거워집니다. 가열된 물체가 높은 온도에 도달해도 스스로 열을 생산하는 별이 되는 것은 아닙니다.

모항성 KELT-9의 유효온도는 약 10,000K로 태양보다 훨씬 높습니다. 행성은 약 1.48일, 곧 36시간마다 별을 한 바퀴 돌며 별과의 거리는 약 0.034AU에 불과합니다. 태양계의 수성보다도 훨씬 가까운 거리입니다.

NASA 자료에 따르면 KELT-9b는 지구가 태양에서 받는 에너지의 약 44,000배에 달하는 복사에너지를 받습니다. 낮면 온도 4,600K는 모든 장소와 고도에서 동일하게 측정된 온도가 아니라 낮면의 특징적인 복사 밝기를 나타내는 값입니다. 따라서 더 차가운 별의 표면 온도보다 높을 수 있지만 모항성 KELT-9보다는 훨씬 차갑습니다.

KELT-9b는 조석 고정으로 한쪽 면이 계속 별을 향합니다. 질량은 목성의 약 2.9배, 반지름은 거의 두 배에 달하는데, 강한 열로 팽창한 대기가 그 이유 중 하나입니다. 이렇게 부풀어 오른 대기는 강한 별빛에 더욱 민감해집니다.

뜨거운 낮면에서 수소 분자까지 분해됩니다

수천 도의 고온에서는 단순히 뜨거워지는 것을 넘어 분자의 결합이 끊어집니다. 낮면에서는 물이나 분자 수소 같은 성분이 안정적으로 존재하기 어렵습니다. 여기서 중요한 것은 용암이 아니라 가스행성 대기의 화학 반응입니다.

NASA가 2020년에 소개한 스피처 우주망원경 관측과 모형에 따르면 낮면의 수소 분자(H₂)가 원자로 분해되고, 이 원자가 바람을 타고 더 서늘한 밤면으로 이동하면 다시 분자 형태로 결합할 수 있습니다. 다시 낮면으로 돌아오면 분해 과정이 반복될 가능성이 있습니다.

분자가 분해될 때는 에너지를 흡수하고 다시 결합할 때는 에너지를 방출합니다. 따라서 이런 변화는 낮과 밤 사이의 열 이동에도 영향을 줄 수 있습니다. 과학자들이 개별 분자의 분해 장면을 촬영한 것은 아닙니다. 공전하며 변하는 적외선 밝기를 분석하고 대기 순환 모형과 비교해 얻은 설명입니다.

매우 뜨거운 대기에서는 원자와 이온도 중요한 역할을 합니다. 최초 발견 논문은 낮면에서 금속 원자가 빛의 흡수에 중요한 영향을 줄 것으로 보았습니다. 대기 상층에서는 기체가 팽창하고 일부가 우주로 빠져나갈 수 있지만, 정확한 질량 손실 속도나 먼 미래의 최종 상태는 아직 확정되지 않았습니다.

과학자들은 KELT-9b를 어떻게 관측했을까요?

천문학자들은 KELT-9b의 구름을 목성처럼 직접 촬영한 것이 아닙니다. 행성이 별 앞을 지나갈 때 발생하는 미세한 별빛 감소, 즉 통과 현상으로 공전 주기와 행성의 특성을 분석합니다.

NASA의 TESS는 2019년에 이 행성의 통과 현상을 27차례 관측했습니다. 모항성 KELT-9는 약 16시간 만에 한 번 자전할 만큼 빨리 회전하여 완전한 구형이 아니라 적도 쪽이 부풀고 극 부근이 더 뜨겁고 밝은 형태를 보입니다. 이를 중력암화라고 합니다.

행성은 별의 자전축에 거의 수직인 특이한 극궤도를 따라 움직여 별의 밝은 부분과 상대적으로 어두운 부분을 가로지릅니다. NASA가 한 번의 36시간 공전에 두 번의 여름과 두 번의 겨울이 있다고 설명하는 이유입니다. 지구처럼 자전축 기울기로 계절이 발생한다는 뜻은 아니고 행성이 받는 복사에너지의 변화에 대한 비유입니다.

스피처가 측정한 적외선 밝기의 주기적인 변화는 행성 낮면과 밤면의 온도 차이를 추론할 단서를 제공합니다. 파장별 흡수선을 살펴보는 분광 관측 역시 대기 속 원자와 이온을 추적하는 데 도움이 됩니다. 이러한 측정과 모형을 함께 검토해 대기의 물리적 상태를 이해합니다.

KELT-9b는 생명체가 살 수 있는 후보와는 거리가 멀지만, 분자 분해와 열 수송, 대기 손실 같은 과정을 연구할 수 있는 극한 실험실입니다. 별과 행성을 구분할 때 온도 하나만으로 판단해서는 안 된다는 사실도 보여줍니다.

결론

KELT-9b가 많은 별보다 뜨거운 이유는 핵융합이 아니라 매우 뜨거운 별 가까이에서 강한 복사에너지를 받기 때문입니다. 낮면의 약 4,600K라는 온도는 분자를 분해하고 대기 흐름에 영향을 주며 일부 기체의 유출 가능성까지 높입니다. 본문 이미지는 실제로 촬영된 행성의 모습이 아니라 과학적 특징을 참고한 상상도입니다.

“ 핵심 정리

KELT-9b는 뜨거운 모항성에 매우 가까워 많은 별의 표면보다 높은 낮면 온도를 보입니다. 극심한 열은 대기의 수소 분자를 분해하며, 이러한 변화는 적외선 관측과 대기 모형으로 연구되고 있습니다.

관련 자료

• NASA Discovery
• Nature discovery study
• NASA Spitzer atmosphere study
• NASA TESS observations
• NASA exoplanet catalog