Kepler-90 b와 c는 5대 4 공명일까?
Kepler-90 c는 8.7198일마다 별을 한 바퀴 돌고, 바로 안쪽의 b는 약 7.008일마다 돈다. c가 네 바퀴 도는 동안 b는 약 4.977바퀴를 돌아 두 공전 주기는 5대 4에 가깝다. 하지만 주기의 비율이 가깝다는 사실만으로 두 행성이 공명한다고 확정할 수는 없다. 공명은 두 행성이 서로의 중력에 영향을 받아 일정한 위치 관계를 반복해서 유지하는 상태이기 때문이다.
- 약 8.7198일 반복되는 통과로 측정한 c의 공전 주기
- 약 4.977바퀴 c가 네 바퀴 도는 동안 b가 도는 횟수
- 지구의 약 1.19배 통과 깊이와 별 크기로 구한 c의 반지름
- 지구의 약 236배 c가 받는 것으로 계산된 별의 에너지
공전 주기는 5대 4에 가깝지만 정확히 맞지는 않는다
c가 네 바퀴 도는 데 걸리는 시간은 약 34.88일이다. 그동안 b는 정확히 다섯 바퀴가 아니라 약 4.977바퀴를 돈다. 부족한 0.023바퀴는 궤도에서 약 8도에 해당한다. 한 번에는 작은 차이지만 같은 과정이 반복되면 두 행성이 만나는 위치가 계속 달라진다. 따라서 두 주기의 비율이 1.244로 1.25에 가깝다는 사실만으로는 늘 같은 위치 관계가 반복된다고 할 수 없다.
두 행성은 약 35.7일마다 별을 기준으로 같은 방향에 놓이지만 그 위치는 조금씩 이동한다. 5대 4에서 생기는 어긋남은 약 378일을 주기로 되풀이되는 것으로 계산된다. 이런 변화가 실제 통과 시각에 나타나는지 관측하면 두 행성이 서로 얼마나 강하게 영향을 주는지 알 수 있다. 그러나 약 378일이라는 계산값만으로 공명을 확정할 수는 없다.
공전 주기의 비율이 5대 4에 가깝다는 것은 공명 가능성을 보여 주는 단서다. 공명을 확인하려면 두 행성의 위치 관계가 일정한 범위 안에서 반복되는지도 알아야 한다.
두 행성의 위치 관계가 반복되는지 확인해야 한다
공명 상태에서는 공전 횟수만 비슷한 것이 아니라 두 행성이 만나는 위치도 일정한 범위 안에서 반복된다. 천문학자는 두 행성의 현재 위치와 타원 궤도에서 별에 가장 가까운 방향을 하나의 각도로 계산하며, 이를 공명각이라고 한다. 이 각도가 일정한 범위 안에서 앞뒤로 움직이면 공명을 유지한다는 증거가 된다. 반대로 모든 방향을 계속 지나가면 주기가 가깝더라도 완전한 공명으로 보지 않는다. 이 계산에는 두 행성의 질량과 궤도가 얼마나 타원인지, 처음 위치가 어디였는지가 필요하다.
Kepler-90 b와 c의 질량과 궤도 모양은 아직 정확히 측정되지 않았다. 2024년 연구진은 가능한 값을 여러 가지로 바꿔 가며 두 행성의 움직임을 계산했다. 거의 원형인 궤도를 넣은 일부 계산에서는 5대 4 공명이 나타났지만, 다른 계산에서는 공명각이 계속 움직이거나 잠시만 일정한 범위에 머물렀다. 궤도를 조금 더 타원형으로 가정했을 때는 완전한 5대 4 공명이 유지되지 않았다. 따라서 현재는 두 행성의 주기가 5대 4에 가까우며 공명의 영향을 받을 수 있다고만 말할 수 있다.
- 통과 반복 b와 c의 공전 주기를 각각 측정한다.
- 주기비 계산 c의 네 공전 동안 b가 약 4.977바퀴 돈다는 사실을 확인한다.
- 궤도 계산 질량과 궤도 모양, 방향을 바꿔 공명각이 일정한 범위에 머무는지 확인한다.
- 추가 관측 통과 시각과 별의 움직임을 측정해 두 행성의 질량과 궤도를 더 정확히 구한다.
반지름은 알지만 질량과 내부 구성은 아직 모른다
c의 반지름은 지구의 약 1.19배로 b의 약 1.31배보다 조금 작다. 하지만 행성이 가린 별빛의 양은 철과 암석의 비율이나 대기의 양을 보여 주지 않는다. 크기가 같아도 내부 물질이 다르면 질량도 달라질 수 있다. 현재 목록의 약 1.81 지구질량 역시 c의 중력을 직접 측정한 값이 아니라, 비슷한 크기의 여러 행성이 보이는 질량 분포를 적용한 추정값이다.
따라서 이 추정 질량으로 계산한 밀도만 보고 c가 암석 행성이라고 확정할 수는 없다. b와 c의 실제 질량을 같은 방법으로 측정해야 두 행성이 함께 이동해 현재의 주기비에 이르렀는지, 서로의 궤도에 얼마나 강하게 영향을 주는지 더 정확히 판단할 수 있다.
강한 별빛만으로 실제 표면 환경을 알 수는 없다
c는 별에서 약 0.089AU, 약 1,330만km 떨어져 있다. c가 받는 에너지는 지구가 태양에서 받는 양의 약 236배로 계산된다. 별빛을 반사하는 정도와 열의 이동을 단순하게 가정한 온도는 약 987K, 섭씨 약 714도다. 매우 강한 열을 받는 행성이라는 점은 분명하지만, 이 온도는 실제 표면에서 측정한 값이 아니다.
대기가 있다면 밝은 쪽의 열을 어두운 쪽으로 옮기거나 특정한 빛의 에너지를 가둘 수 있다. 밝은 구름이나 표면은 들어오는 빛을 더 많이 반사할 수 있다. 현재의 통과 자료만으로는 c의 대기와 표면, 내부 물질을 알 수 없다. 공전 주기의 비율을 정확히 안다는 사실과 행성의 환경을 안다는 사실은 서로 다르다.
페이지에 보이는 행성은 관측 사진이 아니라 이해를 돕기 위한 그림이다. 공전 주기 8.7198일과 지구의 약 1.19배라는 반지름은 통과 관측에 근거한다. 지구의 약 1.81배라는 질량은 다른 행성과 비교한 추정값이고, 섭씨 약 714도는 조건을 단순하게 정해 계산한 값이다. 5대 4 공명도 아직 확정되지 않았다.
출처
- NASA Exoplanet Archive — Kepler-90 c Parameters and Mass Provenance
- Astronomy & Astrophysics — The Planetary System to KIC 11442793
- Monthly Notices of the Royal Astronomical Society — Analysing the Dynamics of the Kepler-90 Planetary System
- The Astronomical Journal — Dynamics of Tightly Packed Planetary Systems
- The Astrophysical Journal — Probabilistic Mass–Radius Relation
- NASA Science — Kepler Transit Method
- NASA Exoplanet Archive — Kepler Data Products Overview