제임스 웹, 최초로 외계 행성 관측 사진을 공개하다

[JWST 발사부터 현재까지] 예상보다 훨씬 더 좋은 성능을 보여주고 있는 제임스 웹 우주망원경

제임스 웹, 최초로 외계행성 사진을 공개하다

작년 크리스마스에 역사상 가장 강력한 적외선 관측 임무라는 사명을 띠고 지구를 떠난 제임스 웹 우주망원경(James Webb Space Telescope)은 현재 여러 다양한 임무를 수행하고 있다. 예를 들면, 머나먼 우주를 관측하며 빅뱅 이후 초창기 우주의 신비를 밝혀냄과 동시에 먼 외계 태양계의 행성과 먼지 원반 등에서 생명체의 흔적을 찾으려 노력하고 있다.

한국 시각으로 7월 12일, 제임스 웹의 첫 이미지가 공개된 이후 제임스 웹 우주망원경은 연이어서 놀라운 발견을 보여주고 있다. 특히 외계행성 연구 부분에서 큰 두각을 드러내고 있다. 뜨거운 가스 외계행성 WASP-96 b의 분광 스펙트럼을 공개하며 행성의 대기에 수증기와 연무가 존재함을 알렸고 처음으로 매우 정확한 수준의 이산화탄소 관측도 성공적으로 수행했다.

제임스 웹 우주망원경은 9월 1일 또 한 번의 놀라운 관측을 세상에 알렸다. 제임스 웹 우주망원경은 처음으로 외계행성의 이미지를 성공적으로 포착해냈는데, 초기 자료 공개 프로그램(Early Release Science)의 일환으로 수행된 위 연구는 2~5 μm을 이용한 근적외선 카메라(NIRCam)와 11~16 μm의 중적외선 기기(MIRI)를 이용하여 HIP 65426 b라고 불리는 슈퍼 목성(목성보다 질량이 큰 가스 행성을 칭함)을 포착했다. 이를 통하여 예상보다 훨씬 더 정확하고 민감한 제임스 웹 우주망원경의 성능을 유감없이 보여주고 있다.

파장별로 다르게 보이는 HIP 65426 b 의 모습, 모항성의 위치는 하얀 별로 표시되어 있다. ⓒ NASA, ESA, CSA, A. Carter (UCSC), the ERS 1386 team, and A. Pagan (STScI)

 

최초의 외계행성 관측 의의

지금까지 공개된 제임스 웹 우주망원경의 외계 행성 관측은 행성이 모항성 앞을 지나갈 때 밝기 변화를 이용하여(횡단법) 수행되었지만, 이번 관측은 직접 외계 행성의 이미지를 얻는 데에 성공했다. 사실, 제임스 웹 우주망원경의 성능은 이미 공개된 수많은 사진들을 통해서 증명이 되었다. 역사상 가장 강력한 ‘적외선’ 망원경을 넘어, 가장 강력한 ‘우주망원경’이라고 불릴 수 있을 만큼의 매우 높은 수준의 민감도를 보여주고 있으며, 제임스 웹의 눈을 통해서 관측한 여러 천체들로 인해서 우리 눈은 더욱 즐거워지고 있다.

관측을 이끈 캘리포니아 대학교 (University of California, Santa Cruz) 아린 카터 박사(Dr. Aarynn L. Carter)와 엑서터 대학(University of Exeter) 사샤 힌클리 교수(Prof. Sasha Hinkley)는 이번 관측을 통해서 제임스 웹 우주망원경이 예상보다 훨씬 더 민감함을 확인했다고 설명한다. 대략 예상보다 10배 정도 민감한 제임스 웹 우주망원경은 우리가 망원경을 통해서 감지할 수 있는 가장 낮은 민감도 수준을 보여주고 있으며 이를 통해서 약 목성 질량의 2배 정도로 낮은 질량의 행성까지 감지할 수 있다.

유럽남방천문대(ESO)의 초대형 망원경(Very Large Telescope) SPHERE 기기를 통한 HIP 65426 b 첫 관측, 모항성은 위 사진에서 제거되었으며(모항성의 위치는 십자가로 표시), 십자가 주위를 둘러싸고 있는 원은 해왕성의 궤도를 나타냄, 왼쪽 아래 HIP 65426 b의 이미지가 선명하게 보인다. ⓒ  ESO

카터 박사팀이 이끄는 국제 관측 연구팀이 발견한 외계행성 HIP 65426 b는 약 385광년 떨어진 별을 공전하는 목성 질량의 대략 7배 정도 되는 슈퍼 목성이며, 이는 지구를 둘러싸고 있는 대기 때문에 이전까지의 지상 적외선 망원경으로는 불가능했던 관측이다. 따라서 본 촬영은 제임스 웹 우주망원경의 외계 행성 촬영 기능을 테스트하는 목적으로 촬영되었다.

힌클리 교수는 제임스 웹 우주망원경이 우주망원경의 민감도 역사를 바꿀 것이라고 주장하며, 제임스 웹 우주망원경을 통한 미래 관측은 토성이나 해왕성과 같은 비교적 목성보다 훨씬 가벼운 정도의 질량을 지닌 행성들까지도 성공적으로 수행해낼 것이라고 덧붙였다. 이는 HIP 65426 b는 상대적으로 젊고 뜨겁기 때문에 제임스 웹 우주망원경을 통한 촬영이 비교적 더 쉬웠기 때문이다. 또한 이러한 높은 민감도를 이용하면 별에서 멀리 떨어진 아주 희미한 물체까지도 관측이 가능하다.

HIP 65426 b의 상상도 ⓒ S. Wiessinger/NASA

사실 제임스 웹 우주망원경이 관측해야 할 천체의 수는 엄청나게 많다. 따라서 제임스 웹 우주망원경은 최적의 외계 행성 촬영 장비가 아닐 수도 있다. 하지만 위 관측을 통하여 전례 없는 민감도를 확인함으로써 앞으로 우주망원경이 나아갈 방향에 대해서 정확하게 제시해주고 있다.

물론, 위 외계 행성은 현재 제임스 웹 우주망원경의 위치로부터 너무 멀리 떨어져 있기에 우리 태양계의 행성과 같은 고해상도 사진을 얻을 수는 없다. 하지만 이는 더 가까운 별 주위의 지구 크기 행성을 촬영할 수 있다는 힌트를 제공해주는 관측이다.

또한, HIP 65426 b의 나이는 1,000만~2,000만 년에 불과해 45억 년 된 지구보다 훨씬 젊다. 따라서, 이번 관측은 목성이나 토성과 같은 거대 가스 행성들이 그들의 진화 초기에 어떤 모습으로 진화했는지에 대한 새로운 통찰력을 제공해줄 수 있다.

 

관측팀이 행성을 관측한 방법

특히 카터 박사팀이 이끄는 국제 관측 연구팀은 근적외선은 물론이며 이전에 사용된 적이 없는 중적외선 파장을 이용하는 등 다양한 적외선 파장 범위에서 행성을 포착했다. 광범위한 파장을 통해서 행성을 관측함으로써 대기의 화학적 조성 등 다양한 천문학적 정보를 얻을 수 있기 때문이다. 또한, 행성이 화학적 구성 요소 파악하여 무엇으로 이루어져 있는지 이해하게 되면 행성의 형성 과정에 얽혀있는 수많은 궁금증을 해결할 수 있다.

외계행성 HIP 65426 b은 대략 지구-태양의 거리보다 80배 이상 되는 거리에서 모항성을 공전하고 있다. 위 경우 항성 빛의 영향을 덜 받기 때문에 상대적으로 촬영이 수월할 수 있지만, 행성의 밝기는 여전히 별보다 10,000배 이상 희미하기 때문에 촬영이 매우 힘들다. 이는 대략 80km 이상 떨어진 등대에서 반딧불을 찾는 것과 견줄만한 희미한 밝기이다. 카터 박사팀이 이끄는 국제 관측 연구팀은 코로나그래프 관측 (밝은 천체의 강한 빛을 막아서 주변의 흐린 물체를 볼 수 있게 하는 관측 방법) 기법을 이용하여 최대한 별빛을 차단한 후 다양한 파장의 이미지를 얻을 수 있었다.

파장별로 행성의 이미지가 약간 다르게 보이는 것을 확인할 수 있다. 배경의 다른 색깔은 파장별로 다른 필터를 나타내며 (필터는 각 사진 왼쪽 위에 표시) 모항성 (하얀 별) 주위 하얀 솜뭉치같이 보이는 행성의 존재를 확인할 수 있다. ⓒ A. Carter et al. 2022

관측팀에 따르면 위 행성의 대기 온도는 대략 섭씨 1,300도이며, 행성의 대기에는 붉은색의 규산염 먼지구름이 포함되어 있을 것이라고 한다. 따라서 사람과 같은 생명체는 살 수 없는 환경이다. 제임스 웹 우주망원경은 향후 인류와 같은 생명체가 거주 가능한 지구 유사 행성의 관측을 목표로 두고 있다.

 

(해당 논문 보러 가기 “The JWST Early Release Science Program for Direct Observations of Exoplanetary Systems I: High Contrast Imaging of the Exoplanet HIP 65426 b from 2−16 μm”)

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