사이언스타임즈

130광년 밖 다중 외계행성계 HR8799와 4개의 거대 외계행성. 130광년 떨어져 있는 다중 외계행성계의 중심별 'HR 8799'와 그 주위를 돌고 있는 거대 외계행성 4개(b, c, d, e)를 제임스 웹 우주망원경(JWST) 근적외선카메라(NIRCam)로 촬영한 사진. 흰색별 기호는 코로나그래프에 의해 빛이 차단된 중심별 HR 8799의 위치이고, 외계행성 색깔 중 파란색은 4.1㎛, 녹색은 4.3㎛, 빨간색은 4.6㎛ 파장이다. ⓒNASA, ESA, CSA, STScI, W. Balmer(JHU), L. Pueyo(STScI), M. Perrin(STScI) 제공

제임스 웹 우주망원경(JWST)이 130광년 밖에 있는 별을 돌고 있는 4개의 외계행성으로 이루어진 행성계(HR 8799)를 촬영한 이미지에서 이산화탄소를 처음으로 직접 포착했다.

미국 존스홉킨스대 윌리엄 발머 연구원(박사과정) 연구팀은 18일 국제 학술지 천체물리학 저널(The Astrophysical Journal)에서 JWST 근적외선카메라(NIRCAM)로 HR 8799와 주변 행성들을 촬영, 이산화탄소 등 원소가 이전에 생각했던 것보다 더 많이 포함돼 있음을 확인했다며 이같이 밝혔다.

연구팀은 이는 HR 8799 주변 외계행성 4개가 태양계의 목성·토성처럼 단단한 핵 주변에 가스가 뭉쳐 형성됐다는 강력한 증거이며, JWST로 외계행성 대기 성분 등 화학적 특성을 직접 분석하는 게 가능하다는 것을 보여준다고 말했다.

130광년 밖 페가수스 자리의 HR 8799는 질량이 태양의 1.5배, 밝기가 태양의 4.9배인 별로 주위에 최소 4개의 거대 외계행성(HR 8799b·c·d·e)이 있으며, 2008년 이후 천문학계에서 주요 외계행성 연구 대상이 돼 왔다.

HR 8799 다중 행성계는 3천만년밖에 안 된 젊은 시스템으로 외계행성들은 여전히 적외선을 다량 방출하고 있으며, 과학자들은 이를 통해 외계행성계 형성 과정을 별이나 갈색 왜성(brown dwarf)과 비교할 수 있는 데이터를 얻고 있다.

연구팀은 거대 외계행성은 목성이나 토성처럼 고체 핵이 가스를 천천히 끌어당기거나 젊은 별의 냉각 원반에서 거대 천체로 빠르게 붕괴하는 두 가지 방식으로 만들어질 수 있다며 어떤 모델이 더 일반적인지 알면 외계행성 유형을 구별할 수 있는 단서를 얻을 수 있다고 말했다.

연구팀은 이 연구에서 JWST의 코로나그래프(coronagraph)로 중심별에서 나오는 밝은 빛을 차단하고, 근적외선카메라(NIRCAM)를 이용해 주변 외계행성들을 3~5㎛ 파장대로 관측해 촬영했다.

이어 촬영된 이미지를 분석해 이산화탄소와 다른 대기 성분을 나타내는 적외선을 포착했으며, 이들 외계행성의 대기가 이전에 생각했던 것보다 더 많은 무거운 원소들을 포함하고 있다는 사실을 발견했다.

JWST는 2022년 700광년 밖의 가스 행성 'WASP-39 b'가 중심별 앞을 지날 때 대기가 별빛을 어떻게 변화시키는지를 분석하는 간접적인 방법으로 이산화탄소를 감지한 적이 있으나 이산화탄소를 직접 확인한 것을 이번이 처음이다.

발머 연구원은 "이렇게 강한 이산화탄소 특징이 포착된 것은 이들 외계행성의 대기에 탄소, 철 같은 더 무거운 원소가 상당량 있음을 보여준다"며 "이는 이들 외계행성이 목성·토성과 같은 방식으로 형성됐음을 시사한다"고 말했다.

이어 "이런 연구를 통해 태양계와 생명, 우리 자신을 외계행성계와 비교함으로써 우리 존재의 맥락을 이해할 수 있기를 바란다"며 "외계행성계를 촬영해 비교하면 태양계가 우주에서 얼마나 특이한 존재인지 또는 일반적인 존재인지 알 수 있을 것"이라고 덧붙였다.

◆ 출처 : The Astrophysical Journal, William Balmer et al., 'JWST-TST High Contrast: Living on the Wedge, or, NIRCam Bar Coronagraphy Reveals CO2 in the HR 8799 and 51 Eri Exoplanets' Atmospheres', http://dx.doi.org/10.3847/1538-3881/adb1c6