제임스 웹, 해왕성을 자세히 관측하다

[JWST 발사부터 현재까지] 해왕성의 고리, 대기 그리고 위성들

목성, 화성에 이어서 이번엔 해왕성이다. 사실 뛰어난 해상도와 민감도를 갖춘 제임스 웹 우주망원경에 있어서, 깊고 먼 우주보다 상대적으로 가까운 우리 태양계 천체들은 보다 쉬운 관측 대상이다. 위 경우 굳이 태양계 천체를 포인팅하지 않아도 제임스 웹 딥필드를 촬영하면서도 얻어질 수 있다. (관련 기사 보러 가기 – “제임스 웹, 화성을 자세히 관측하다”) (관련 기사 보러 가기 – “제임스 웹, 목성을 자세히 관측하다”)

이번 제임스 웹의 해왕성의 사진은 한눈에 보기에도 매우 선명한 고리가 눈에 띈다. 특히, 30여 년 만에 처음으로 행성의 고리에 초점을 맞춘 사진으로 크게 화제가 되었다. 해왕성은 사실 태양계 행성치고 드물게 촬영되고 있는 행성이다. 1989년에 보이저 2호가 해왕성을 자세히 촬영했으며, 이후 허블 우주망원경도 해왕성의 모습을 촬영한 바 있다.

보이저 2호가 촬영한 해왕성의 모습 ⓒ Justin Cowart/Voyager 2/NASA

해왕성의 첫 발견

해왕성(Neptune, 그리스 신화의 포세이돈에 해당하는 로마신화의 넵투누스 Neptunus 에서 유래함)은 대부분 수소와 헬륨으로 구성되어 있는 거대 얼음 행성이다. 해왕성은 맨눈으로는 볼 수 없는 행성이기에 망원경이 발명되기 이전의 관측 기록은 존재하지 않는다. 해왕성의 발견에 대해서는 여러 설이 난무하지만, 영국의 천문학자이자 수학자인 메리 서머빌(Mary Fairfax Somerville)의 추측을 기반으로 영국의 천문학자이자 수학자인 존 쿠치 애덤스(John Couch Adams)가 처음 발견했다고 여겨진다. 하지만, 공식적인 기록을 남기는 데 실패한 애덤스는 비슷한 시기에 해왕성을 발견한 프랑스의 수학자 위르뱅 장 조제프 르베리에(Urbain Jean Joseph Le Verrier)와 독일의 천문학자들 요한 고트프리트 갈레(Johann Gottfried Galle)와 헨리크 다레스트(Heinrich Ludwig d’Arrest)의 공식적인 기록을 인정하며 첫 발견의 영광을 내주게 된다.

해왕성은 총 14개의 위성이 있는데 이중 가장 큰 위성인 트리톤(Triton, 해왕성이 포세이돈에서 유래한 것처럼 트리톤의 이름은 포세이돈의 아들 트리톤에서 유래함)은 크기가 거의 달만 한 대형 위성이다. 참고로 트리톤 위성은 크기가 크기 때문에 망원경만 있으면 관측이 어렵지 않다. 따라서 해왕성이 첫 발견된 지 고작 10여 일 만에 영국의 천문학자 윌리엄 러셀에 의해서 발견되었다.

트리톤은 천문학자들에게 상당히 흥미로운 위성이다. 먼저 위성의 공전 궤도는 다른 위성의 그것과 반대 방향이다. 이를 통해서 천문학자들은 왜소 행성인 명왕성과 같이 우리 태양계 바깥쪽 먼지원반인 카이퍼벨트 (Kuiper belt) 주위를 떠돌다가 해왕성의 중력에 이끌려서 해왕성의 위성이 되었다고 추측하고 있다.

 

해왕성, 푸른색으로 빛나는 거대 얼음 행성

해왕성은 현재 우리 태양계의 막내 행성으로 천왕성과 여러모로 닮아 있는 행성이다. 먼저 두 행성의 크기와 외형이 매우 비슷하다. 두 행성 모두 푸른색으로 빛나는 거대 얼음 행성이며, 대기 성분도 비슷하다. 또한, 두 행성 모두 태양을 느리게 돌면서 빠르게 자전하는 것도 닮아있다.

하지만 두 행성의 푸른색 농도가 다른데, 천왕성은 옥빛을 띠는 데 비해서 해왕성은 짙은 코발트 빛을 띠고 있다. 비슷한 환경에 놓인 두 행성이 이토록 다른 모습을 보이고 있는 것은 천왕성에 있는 두꺼운 연무 층이 푸른빛을 누그러뜨리기 때문이라고 알려져 있다. (관련 기사 보러 가기 – “천왕성vs해왕성, 색깔 미스터리 풀려”) 이 외에도 천왕성은 자전축이 공전 면에 97° 나 기울어져 누워 있으며 행성 주변 원반에서 만들어진 위성을 가진 것으로 알려져있지만, 해왕성은 자체 행성의 중력으로 대형 위성들을 붙잡은 것으로 보고 있다.

 

제임스 웹, 해왕성을 자세히 관측하다

해왕성은 사실 태양계 행성치고 작은 행성이 아니다. 지구보다 대략 3~4배 정도 큰 크기를 자랑하며 질량도 대략 지구의 17배 정도 된다. 물론 드넓은 우주에서는 여전히 한없이 초라한 크기의 행성일 뿐이다. 2022년 7월 12일에 제임스 웹의 근적외선 카메라(NIRCam)가 촬영한 이 이미지에서도 먼저 다양한 크기와 모양의 수많은 배경 은하가 먼저 눈에 띈다.

매우 선명하게 드러난 해왕성의 모습과 제임스 웹만의 시그니쳐같은 회절 스파이크 패턴을 보여주고 있는 해왕성의 위성 트리톤의 모습이 장관을 이루고 있다. ⓒ Joseph DePasquale/NASA, ESA, CSA, STScI

하지만 촬영된 사진 중앙에는 해왕성과 해왕성을 돌고 있는 위성들이 함께 드러난다. 해왕성과 해왕성 행성 시스템들은 다른 은하나 천체들보다 제임스 웹 우주망원경으로부터 훨씬 가깝기 때문이다. 매우 선명하게 드러난 해왕성의 모습과 제임스 웹만의 시그니쳐같은 회절 스파이크 패턴을 보여주고 있는 해왕성의 위성 트리톤의 모습이 장관을 이루고 있다. (고해상도 사진 보러 가기)

위 사진 왼쪽 하단엔 상당히 큰 크기의 막대 나선 은하가 보인다. 이전까지 자세히 연구되지 않았던 위 은하는 대략 10억 광년 떨어진 곳에 있으며 주로 근적외선에서 파란빛을 띠는 어린 별들로 구성되어 있을 것으로 예측되고 있다.

참고로 위 사진은 F140M, F210M, F300M, F460M등의 필터를 이용하여 촬영되었다.

 

해왕성의 고리가 선명히 드러나다

30년 만에 처음으로 해왕성의 고리에 초점을 맞춘 제임스 웹의 촬영은 마치 고리 위성으로 유명한 토성과 비슷한 해왕성의 모습을 보여주고 있다.

해왕성의 고리가 선명하게 드러나다. ⓒ Joseph DePasquale/NASA, ESA, CSA, STScI

하지만, 고리뿐이 아니다. 해왕성의 남반구에 밝은 표면이 눈에 띄는데 이는 높은 고도의 메탄-얼음 구름을 나타낸다. 행성의 적도를 둘러싼 얇은 선은 해왕성의 바람과 폭풍 등에 영향을 미치고 있는 해왕성 대기의 순환을 보여주고 있다. 또한, 제임스 웹 우주망원경은 처음으로 고위도 구름 및 대기의 강력한 움직임으로 인해서 일어나고 있는 해왕성 남극 대기의 소용돌이를 자세히 관측했다. (고해상도 사진 보러 가기)

 

해왕성의 대형 위성 트리톤이 더 밝게 보인다

위 사진 역시 근적외선 카메라로 촬영되었으며 (첫 번째 공개된 사진과 같은 사진, 해왕성과 위성들만 따로 확대한 사진), 사진에는 총 14개의 해왕성 위성 중 7개의 위성이 담겼다. 왼쪽 상단에서 밝게 빛나며 위 사진에서 가장 밝은 해왕성의 대형 위성 트리톤의 모습은 정말 장관이다. 트리톤은 위성임에도 불구하고 왜 해왕성보다 더 밝게 보일까?

해왕성뿐 아니라 해왕성의 위성들인 트리톤, 갈라테아, 나이아드, 탈라사, 데스피나, 프로테우스, 그리고 라리사가 보인다. ⓒ Joseph DePasquale/NASA, ESA, CSA, STScI

이는 바로 위 사진의 촬영에 이용된 파장에서 여러 원소의 상대적으로 다른 빛의 흡수, 반사 능력 때문이다. 먼저 해왕성의 대기는 대부분 메탄으로 구성되어 있는데, 근적외선을 이용하는 제임스 웹 우주망원경은 해왕성의 메탄 대기에 의해서 흡수되어 상대적으로 적은 양을 방출하는 적외선을 담고 있다. 반면, 트리톤의 표면은 대부분 얼음 질소 등으로 구성되어 있는데 이는 평균적으로 햇빛을 70% 이상 반사할 수 있다. 따라서 트리톤은 해왕성보다 훨씬 더 밝게 보인다. (고해상도 사진 보러 가기)

참고로 메탄은 가시광선에서 파란색으로 보이지만 제임스 웹 우주망원경의 이미지에서 나타난 것처럼 근적외선에서는 전혀 다른 모습을 보여주고 있다. 즉, 메탄은 적색 파장과 적외선을 강력하게 흡수하여 고도의 구름이 있는 곳을 제외하고는 행성의 모습을 매우 어둡게 보여주고 있다.

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