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제임스 웹, 뜨거운 암석 외계 행성 TRAPPIST-1 c를 자세히 관측하다 외계 금성으로 기대받던 행성, 아쉽게도 대기는 없는 것으로…

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TRAPPIST-1c 과연 외계 태양계의 금성일까?

지난 3월 말, 제임스 웹 우주망원경 관측팀이 TRAPPIST-1 행성계의 첫 번째 행성인 TRAPPIST-1b를 관측한 결과를 발표한 데 이어 (관련 기사 바로 가기 -  “제임스 웹, 암석형 외계행성 TRAPPIST-1b를 자세히 관측하다”), 6월 말 위 외계 태양계의 2번째 행성인 TRAPPIST-1c의 관측 결과를 공개했다.

위 행성은 TRAPPIST-1 시스템에서 알려진 7개의 행성 중 두 번째 행성으로 모항성으로부터 약 0.016 AU(약 2,000,000km) 정도의 거리에서 모항성을 돌며 궤도를 지구의 시간으로 약 2.42일 만에 완료하는 행성이다. 참고로 모항성 TRAPPIST-1은 온도가 2,550켈빈(화씨 약 4,150도)정도 밖에 안되며 질량도 태양 질량의 0.09배에 불과한 M등급의 초저온 적색왜성이다.

TRAPPIST-1 행성계의 TRAPPIST-1c (왼쪽 앞 회색 행성), 모항성 (빨간색), 그리고 TRAPPIST-1 행성계의 첫번째 행성인 TRAPPIST-1b (오른쪽 검은색 행성)의 상상도 ⓒ NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted/STScI. Sebastian Zieba, Laura Kreidberg/MPIA

TRAPPIST-1 c는 지구보다 약간 크지만 밀도는 거의 같기 때문에 암석으로 이루어져 있을 것으로 추정되고 있다. 특히, 위 행성은 지구나 금성과 비슷한 크기로 외계 태양계의 금성으로 기대되던 행성이다. 또한, 모항성으로부터 받는 복사량도 금성과 비슷하여 금성과 같이 두꺼운 이산화탄소로 이루어진 대기를 가지고 있지 않을까 내심 기대를 받고 있었기 때문이다. 하지만 새롭게 공개된 관측결과에 따르면 TRAPPIST-1c 행성의 낮 온도는 섭씨 107도 가량으로 계산되었으며 위 행성의 대기는 아예 없거나 있더라도 아주 얇은 수준인것으로 드러났다.

 

2차 일식 광도 측정을 통해서 온도를 알아내고 대기의 구성성분을 파악한다

관측팀은 중적외선기기(MIRI)를 이용하여 15 마이크로미터 파장 영역을 자세히 들여다보며 관측을 수행했으며, 제임스 웹 우주망원경이 직접 행성의 이미지를 촬영하지는 않았다.

보다 구체적으로 관측팀은 TRAPPIST-1b의 관측 때처럼 행성이 모항성 뒤로 숨은 직후 해당 외계 태양계의 전체 밝기가 살짝 내려감을 이용하여 해당 밝기 변화를 계산했다. 이를 통해서 행성의 대기 온도를 측정한다. 이는 일종의 엄폐 현상으로 2차 일식 secondary eclipse라고도 부르는데 행성이 별 옆에 있을 때(별과 행성의 낮 쪽에서 방출되는 빛이 모두 망원경에 도달하여 태양계가 더 밝게 보임)와 행성이 별 뒤로 숨었을 때(행성에서 방출되는 빛이 차단되고 별빛만 망원경에 도달하기 때문에 해당 태양계 시스템의 겉보기 밝기가 감소)의 밝기는 차이가 나게 된다.

별과 행성의 밝기를 합친 밝기에서 별의 밝기를 제거한 후 행성의 낮 쪽에서 얼마나 많은 적외선이 나오는지 계산할 수 있는데, 이를 이용하여 행성의 낮 쪽 온도를 계산하고 대기의 존재 여부와 여러 가능한 대기 구성을 추론한 수 있다. 물론 매우 적은 양의 차이를 감지할 수 있어야 관측이 성공적으로 수행된다. 이차 일식 동안 밝기 감소는 0.05% 미만이기 때문이다. 하지만, 제임스 웹의 민감도는 이를 충분히 감지해낼 수 있다.

 

관측 결과 해당 태양계에서 가장 차가운 외계행성으로 드러나

독일 하이델베르크 막스플랑크 천문학연구소의 제바스티안 치에바(Sebastian Zieba)와 로라 크라이드베르크 박사 (Dr. Laura Kreidberg)가 이끄는 국제 천문학 팀은 제임스 웹 우주망원경의 결과를 기반으로 다른 지상 및 우주 기반 망원경에서 이전에 관측된 자료와 함께 결과 분석을 진행했다.

13.5 ~ 16.7 마이크로미터 파장의 빛만 검출기로 통과시키는 MIRI의 F1500W 필터를 사용하여 관측한 4가지 데이터를 결합한 결과 ⓒ NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted/STScI. Sebastian Zieba, Laura Kreidberg/MPIA

이 그래프는 약 13.5 ~ 16.7 마이크로미터 파장의 빛만 검출기로 통과시키는 MIRI의 F1500W 필터를 사용하여 관측한 4가지 데이터를 결합한 것이다. 파란색 사각형은 개별 밝기 측정값이며 빨간색 원은 시간 경과에 따른 변화를 쉽게 확인할 수 있도록 평균화된 측정값을 나타낸다. 또한, 흰색 선은 빨간색 데이터와 가장 근접하게 일치하는 최적 모델을 통한 결과를 나타낸다. 이 관측을 통해 계산된 온도는 380 +/- 31 켈빈으로 TRAPPIST-1 c는 2차 일식 광도계로 관측된 암석 외계행성 중 가장 차가운 외계행성임이 밝혀졌다.

 

외계 금성으로 기대받던 행성, 아쉽게도 대기는 없거나 매우 희박한 것으로 드러나

NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted/STScI. Sebastian Zieba, Laura Kreidberg/MPIA

위 그래프의 Y축은 일식 깊이에 따른 빛의 밝기(혹은 플럭스라고 표현)를 나타내는데, 이는 별과 행성의 밝기를 합친 밝기(행성이 별 옆에 있을 때)와 별 자체의 밝기(행성이 별 뒤에 있을 때)의 차이를 보여주고 있다. 일식의 깊이가 깊을수록 행성에서 나오는 빛이 더 밝아지게 된다. 그래프의 X축은 측정 중인 빛의 파장(혹은 천문학에서는 색상으로 표현)을 나타낸다.

이 그래프는 TRAPPIST-1 c의 밝기 변화 측정을 통해서 세 가지 가능한 시나리오를 바탕으로 모델링한 결과와 비교 값을 보여주고 있다. 제임스 웹의 중적외선 기기인 MIRI의 F1500W 필터를 사용하여 측정한 TRAPPIST-1 c의 밝기는 빨간색 다이아몬드로 나타나 있으며, 위 밝기는 측정값의 오차를 포함하여 대기가 없는 맨 암석 표면의 방출 스펙트럼 모델(녹색선)이나 이산화탄소가 0.01%이고 표면 압력이 0.1bar이며 구름이 없는 산소 대기를 가정할 때 행성의 낮에 방출되는 스펙트럼 모델값(파란선)과 일치하나, 이산화탄소 96.5%, 표면 압력 10bar 정도인 금성과 비슷한 황산 구름이 있는 두꺼운 이산화탄소가 풍부한 대기 모델의 낮 시간대 방출 스펙트럼(노란색 선)으로는 설명이 가능하지 않다는 점을 알 수 있다.

이를 통해서 파란색 선의 대기는 이산화탄소가 0.04%이고 표면 압력이 1바이며 질소와 산소가 풍부한 지구 대기보다 훨씬 더 희박한 상황임을 알 수 있다.

김민재 리포터
minjae.gaspar.kim@gmail.com
저작권자 2023-07-27 ⓒ ScienceTimes

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