제임스 웹이 행성을 관측하는 방법

제임스 웹 우주망원경은 수많은 천체를 관측한다. 특히 오래된 은하와 활성 은하핵 등을 중점적으로 관측하며 초기 우주에 관한 궁금증을 풀기 위해서 노력한다. 하지만 외계 행성의 연구도 제임스 웹 우주망원경의 중요한 목표 중 하나이다.

제임스 웹 우주망원경은 많은 행성 관측법 중, 행성과 항성의 밝기 차이(행성이 모항성을 통과하게 되면 시간이 지남에 따라 변하는 항성의 광도곡선)를 이용한 횡단법을 이용하여 행성을 관측한다. 관측에 이용되는 도구로 주로 근적외선 촬영기 및 슬릿 리스 분광기(NIRISS: Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph, Fine Guidance Sensor와 함께 장착되어 있음)나 근적외선 카메라(NIRCam: Near Infrared Camera), 그리고 근적외선 분광기(NIRSpec: Near Infrared Spectrograph)등이 있다.

행성으로 인해서 모항성의 광도가 낮아짐을 파악하는 횡단법은 매우 직관적이지만 망원경의 성능이 매우 좋아야 한다. 보통 행성은 태양의 크기에 비해서 매우 작기 때문에 가려지는 정도가 극히 작으며 항성 관측으로 인한 오차 범위 안에 포함되는 경우가 있기 때문이다.

제임스 웹이 물을 발견했던 그 행성 WASP-39b

제임스 웹 우주망원경의 첫 표적 행성 중 하나는 지구에서 약 700광년(1광년: 빛이 1년간 이동하는 거리로 약 9조4,600km) 떨어진 WASP-96 항성계의 행성이었다. 위 태양계는 태양과 비슷한 밝기로 최소한 한 개의 행성을 거느리고 있는 것으로 알려져 있으며 WASP-96b라 명명된 위 행성은 거대한 목성급-토성급 가스행성이다. 지름은 목성의 그것보다 1.2~1.3배 정도 크지만, 질량은 대략 1/4 수준이다. 위 행성은 지구에서 바라볼 때 대략 나흘에 한 번꼴로 항성 앞을 지나가기에 관측이 꽤 쉽고 빠른 편이다.

위 행성은 국제 컨소시엄 WASP(Wide Angle Search for Planets)에 의해 2013년 처음 발견되었으며, 이후 허블 우주망원경, 스피처 우주망원경 등에 의해서 대기를 구성하는 몇 가지 원자들이 일부 밝혀진 바 있다.

지난해 7월 제임스 웹 우주망원경이 첫 관측 결과를 공개할 때 대중은 크게 환호했다. 공개된 고해상도 이미지와 분광 스펙트럼 중 SCAMS 0723 은하단을 포함한 제임스 웹 딥 필드 사진이 매우 아름답고 인상적이었기 때문이다. 행성 과학자들과 우주덕후들은 두 번째 결과에 더 크게 집중했다. 뜨거운 가스 외계 행성 WASP-96b의 분광 스펙트럼을 통해서 위 행성의 대기에 물이 존재하고 있음이 공개되었기 때문이다. 이는 외계 생명체가 지구 밖 그리고 우리 태양계 밖 어디선가에 존재할 것이라는 막연한 상상이 점차 현실이 되어가고 있는 연구 결과였다.

제임스 웹 팀은 행성이 별을 가로질러서 이동할 때 여러 관측 도구를 이용하여 행성의 대기를 통해 필터링된 별빛을 촬영한 후, 행성이 별을 지난 후 별빛이 행성의 대기를 통과하지 않을 때와의 빛을 비교한다. 위 태양계의 모항성이 가장 밝을 때와 가장 어두울 때(행성이 앞에서 모항성 빛을 가릴 때)의 차이는 대략 1.5% 미만이며 제임스 웹의 기구들은 모두 위 차이를 감지해 낼 수 있다. 특히, NRISS는 대략 0.02% 정도의 밝기 변화도 감지해낼 수 있다.

WASP-39b 행성에서 다른 과학을 추가로 찾아내다

2022년 7월에 공개되었던 결과는 결과 분석의 시간이 짧았던 탓에 근적외선 촬영기 및 슬릿 리스 분광기의 결과만 공개되었다. 0.5 – 2.75 µm 파장의 스펙트럼 관측을 통해서 뜨거운 거대 가스 외계 행성의 대기에 수증기나 연무 등 물이 존재한다는 사실을 밝혔다. (관련 기사 바로 가기 - “제임스 웹, 뜨거운 가스 행성의 대기에서 물을 발견하다”)

지난 8월 근적외선 분광기를 통한 3~5.5 µm 추가 관측 결과를 공개했는데, 결과에 따르면 투과 스펙트럼 4.3µm 부근의 피크를 통해서 대기에 이산화탄소가 있음이 확인되었다. (관련 기사 바로 가기 - “제임스 웹, 뜨거운 가스 행성의 대기에서 이산화탄소를 발견하다”)

이어서 지난 11월 하버드-스미스소니언 천체물리학센터 등 전 세계 다섯팀의 천문학자들은 WASP-39b 행성의 종합적인 대기 결과를 공개했다. 제임스 웹은 위 행성의 이미지를 직접 촬영하진 않았지만 3가지 관측 도구를 이용하여 대략 0.1~5.5 µm까지 각각 다른 파장으로 행성의 스펙트럼을 수집했다. (고해상도 사진 바로 보러 가기)

위 결과의 각 데이터 포인트(흰색 점으로 표시)는 행성에 의해서 차단되고 대기에 흡수되는 특정 파장 빛의 양을 나타낸다. 대기에 우선적으로 흡수되는 파장은 투과 스펙트럼에서 피크로 나타난다. 파란색선은 WASP-39b 행성과 모항성의 특징(크기, 질량, 온도 등)을 고려한 가장 적합한 베스트모델을 나타낸다. 천문학자들은 대기의 구름 높이, 그리고 다양한 기체들의 양을 변경하며 흰색 선과 더 잘 맞는 결과를 찾아낸다. 이를 통해서 행성 대기의 더 많은 특징을 파악할 수 있다.

왼쪽 상단 근적외선 촬영기 및 슬릿 리스 분광기의 결과는 지난 7월 결과와 비교해서 행성의 대기에 칼륨(K)과 일산화탄소(CO)가 존재함을 추가로 보여주고 있다. 오른쪽 상단 근적외선 카메라의 결과는 대기에서 물이 존재함을 더 강력하게 나타내주고 있으며 왼쪽 하단 근적외선 분광기의 결과는 물, 이산화황(SO2), 이산화탄소(CO2) 및 일산화탄소(CO)등이 존재함을 보여주고 있다. 오른쪽 하단의 추가 근적외선 분광기 결과를 통해서 위 분자들 외에도 나트륨(Na)이 존재하고 있음이 나타났다. 위 결과들을 통해서 위 행성의 대기 구성 성분 및 환경에 대한 폭넓은 이해가 가능해진다.

지구의 대기와 공통점이 있는 WASP-39b의 대기

여러 관측 결과 중 흥미로운 사실은 위 행성의 대기에 이산화황이 있다는 점이다. 이산화황은 태양 빛이 촉발하는 광화학반응을 통하여 생성되는데 우리 지구에서는 오존층이 위와 비슷한 반응을 통하여 생성되었다고 알려져 있다. 즉, 지구와 WASP-39b 두 행성 간에 큰 공통점이 발견된 것이다. 이는 우리 지구의 대기처럼 위 행성의 대기도 광화학 반응이 중요한 역할을 할 수 있다는 점을 시사하는 결과이다.

물론 위 행성은 모항성을 지나치게 가깝게 돌고 있다. 따라서 행성의 온도가 매우 높으며 모항성의 강한 방사선에 노출되게 된다. 이를 통해서, 최소한 지구상의 동식물과 비슷한 생명체의 서식은 불가능할 것으로 예측된다. 하지만 위 결과를 통해서 제임스 웹을 통한 대기를 분석이 매우 정확하고 강력함을 알 수 있다.