기획·칼럼

제임스 웹, 화성을 자세히 관측하다

[JWST 발사부터 현재까지] 근적외선 카메라와 스펙트럼을 통한 관측

목성에 이어 이제는 화성이다. (관련 기사 바로 가기 – “제임스 웹, 목성을 자세히 관측하다”) 적외선을 이용하는 덕에 우리가 그동안 알지 못했던 우주를 하나씩 파헤치고 있는 제임스 웹 우주망원경은 지구에서 가장 가까운 천체 중 하나인 화성을 자세히 관측해서 화제가 되고 있다.

 

지구의 형제 행성 – 화성

화성은 태양계의 네 번째 행성으로 산화철로 인해서 붉은색을 띠고 있기에 붉은 행성으로도 불리고 있다. 지구와 비슷한 크기 탓에 금성과 함께 지구의 형제 행성이라고도 불리고 있다. 본격적인 우주 개발 및 탐사가 시작된 지도 몇십 년 되지 않은 인류이지만, 화성은 명실상부 인류가 가장 많이 알고 있는 천체 중 하나이다. 동시에 태양계 모든 행성 중 행성의 표면 탐사가 가장 활발하게 이루어진 행성이기도 하다. 이미 미국, 유럽, 중국, 인도 등에서 화성 궤도선을 보냈으며, 5개가 넘는 로버가 화성을 탐구했거나 탐구하고 있다. 심지어 현재 인류가 만든 드론은 화성 상공을 비행하고 있다. 따라서 화성은 인류가 처음으로 다른 행성에서 비행한 행성이기도 하다.

혜성 탐사선 로제타가 2007년 촬영한 화성의 모습 ⓒ ESA & MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/RSSD/INTA/UPM/DASP/IDA

화성은 생명체가 살기에 기본적으로 매우 혹독한 환경이다. 표면 온도도 낮으며 대기도 희박할 뿐 아니라 행성의 자기장도 어떠한 이유에서 인지 매우 희박해져 태양풍을 막을 수 없기 때문이다. 과거 화성에 생명체가 존재했었는지에 대한 질문은 아직 시간과 연구가 더 필요한 문제이지만, 이미 화성에서는 액체 상태의 물이 발견된 바 있다. 또한, 지구의 생명체가 이주한다면 가장 높은 확률의 후보지 역시 화성이다. (관련 기사 보러 가기 – “화성 ‘액체상태의 물’ 발견이 주는 의미”)

 

제임스 웹, 화성을 자세히 관측하다

제임스 웹 우주망원경은 지난 9월 5일 근적외선 카메라(NIRCam)를 이용하여 보다 멀고 어두운 우주를 관측하던 도중 화성을 포착했다. 제임스 웹의 눈으로는 처음 관측된 화성의 첫 번째 이미지는 놀라움의 연속을 보여주고 있다. 뛰어난 해상도를 자랑하고 있는 제임스 웹은 상대적으로 가까운 화성의 이미지를 매우 상세하게 잡아냈고 뛰어난 민감도를 통해서 행성의 반사 및 열적 특성을 상세히 보여주고 있다. (고해상도 사진 보러 가기)

화성을 자세히 관측하다. ⓒ NASA, ESA, CSA, STScI, Mars JWST/GTO Team

공개된 사진 중 왼쪽 사진은 미항공우주국(NASA)의 그간의 데이터와 화성 궤도 레이저 고도계(MOLA: Mars Orbiter Laser Altimeter)의 결과를 기반으로 예측되는 화성의 남반구 여름에 대한 시뮬레이션 이미지이다. 본 사진은 제임스 웹이 화성을 관측 날짜와 시간의 행성 모습과 방향 등을 보여주고 있다. 중심 경도는 동쪽으로 약 80도이며 축은 궤도면에서 수직으로 약 25도 기울어져 있다.

왼쪽의 이미지에서는 일반적으로 반사된 햇빛에서 볼 수 있는 화성의 지형적인 특징과 표면의 색상 등을 보여주고 있다. 사진에는 어두운색의 화산 지역인 시르티스 메이저(Syrtis Major), 복잡한 충돌 분화구인 하위헌스 (Huygens) 분화구, 그리고 화성의 가장 큰 충격 구조인 헬라스 분지(Hellas Basin) 등이 잘 나타나 있다. 스케일 바는 4,210km를 나타내며 파란색 윤곽선은 오른쪽 상단 이미지의 시야를 나타내며 하얀색 윤곽선은 오른쪽 하단 이미지의 시야를 나타낸다.

오른쪽 상단 이미지는 2.1 마이크로미터 (micrometer, 혹은 마이크론 micron으로 표현) 파장의 근적외선 카메라 F212 필터를 이용하여 촬영된 화성의 모습을 보여주고 있다. 시르티스 메이저의 어두운 화산암, 호이겐스 분화구의 밝은 고리, 밝은색의 먼지 고리 층으로 덮여있는 헬라스 분지 등이 선명히 표시되어 있다.

오른쪽 하단 이미지는 동시에 또 다른 근적외선 카메라로 촬영된 이미지로 대략 4.3마이크로미터 파장과 F430M 필터를 이용하여 방출되는 빛을 보여주고 있다. 본 이미지에서는 위도 및 시간에 따른 온도 차이와 대기 효과로 인한 어두워짐이 선명하게 포착되었다. 측정된 표면 밝기는 화성의 남반구 부분(노란색)에서 가장 높고 겨울을 겪고 있는 북반구와 저녁 시간인 서반구로 갈수록 눈에 띄게 감소하고 있다.

헬라스 분지에서 측정된 밝기의 어둠은 온도가 낮기 때문이 아니라 주변 지형보다 7km 이상 깊고 더 높은 기압을 형성하고 있기 때문이다. 이 때문에 열의 방출이 약화되어 밝기가 낮게 측정되었다. 또한, 분지에서 방출되는 4.3마이크로미터 파장의 빛 일부는 화성 대기의 이산화탄소와 같은 분자에 흡수되고 있다.

 

근적외선 스펙트럼 – 화성 표면과 대기의 화학, 물리적 특성을 보여주다

제임스 웹팀은 동시에 근적외선 분광기(NIRSpec)로 화성의 근적외선 스펙트럼을 촬영했다. 이는 화성 표면과 대기의 화학, 물리적 특성을 보여주고 있다. (고해상도 사진 보러 가기

근적외선 스펙트럼은 화성 표면과 대기의 화학, 물리적 특성을 잘 보여주고 있다. ⓒ NASA, ESA, CSA, STScI, Mars JWST/GTO Team

데이터는 흰색으로 표시되어 있으며, 각각 다른 파장 범위를 포함하는 6개의 서로 다른 고해상도 분광기 모드(격자 모드)를 사용하여 수집되었기에 아쉽게도 파장별로 연속적이지 않다. 보라색은 알려진 다른 화성의 특징 등이 적용된 시뮬레이션 관측결과 중 본 데이터와 가장 잘 맞는 베스트 모델을 나타낸다. 참고로 행성 스펙트럼 생성기(Planetary Spectrum Generator)와 같은 도구를 사용하여 최적 모델을 구성하면 행성의 대기에 있는 여러 분자의 풍부도를 예측할 수 있다.

본 스펙트럼은 화성 표면과 대기에서 반사된 햇빛 그리고 행성에서 재방출되는 빛의 조합을 보여주고 있다. 1~3 마이크로미터 파장에서는 빛이 주로 반사되고 있고, 3~5 마이크로미터 파장에서는 주로 방출되고 있음을 보여주고 있다. 다양한 파장의 반사광, 방출광 모두 화성의 대기를 통과하며 스펙트럼의 밝기와 모양에 다양한 방식으로 영향을 미치고 있다. 특히, 깊은 골짜기 모양의 스펙트럼은 이산화탄소, 물, 일산화탄소와 같은 가스에 의해 차단될 때 발생하는 흡수선을 나타낸다. 스펙트럼의 넓음 정도와 깊음 정도 등의 기타 세부 사항들은 먼지, 구름의 양 등 화성 표면의 특정 정보에 관해서 보여주고 있다.

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