50 광년 너머 우주에서 보내온 지질학 - 1차 관측을 준비 중인 제임스웹 우주망원경

이 그림은 외계행성 LHS 3844 b와 게자리 55e를 지구 및 해왕성과 비교한 것이다. 두 외계행성 모두 크기와 질량은 지구와 해왕성의 중간 정도에 해당하지만 암석질 행성으로서 조성이라는 측면에서는 지구와 유사하다. Credits: ILLUSTRATION: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

 

지구가 지금보다 훨씬 더 태양에 가깝다고 상상해 보라. 
지구가 태양에 바짝 다가가 있다면 일년은 고작 몇 시간에 지나지 않을 것이다. 
또한 태양 중력에 완전히 잠긴 상태가 되어 자전을 할 수 없기 때문에 한쪽 면은 태양빛에 영원히 타오를 것이고 반대 면에는 끝없는 어둠만이 있을 것이다. 
바다는 기화되어 없어질 것이고, 대륙은 녹을 것이며 용암비가 내릴 것이다.  
우리 태양계에 이와 같은 행성은 없지만, 자신의 별에 바짝 붙어 있어 극단적으로 끓고 있는 지구 크기의 암석질 행성은 우리 은하 미리내에서 드문 일이 아니다. 
이러한 행성들의 표면과 대기는 어떤 모습일까?
제임스 웹 우주망원경이 이제 막 그 대답을 찾고 있다. 

50광년 우주에서 보내온 지질학 : 제임스 웹 우주망원경이 암석질 행성의 연구를 준비하다. 

제임스웹 우주망원경은 완전한 작동에 들어갈 때까지 얼마 남지 않은 상황이다. 
이번 여름, 첫번째 관측 결과 발표와 함께, 제임스웹 우주망원경의 심도있는 과학이 시작될 것이다. 

올해 관측 계획 중에는 두 개의 뜨거운 외계행성에 대한 연구가 포함되어 있다. 
이 행성들은 그 크기와 암석질 성분으로 인해 "슈퍼-지구"로 분류되는 행성들로서 용암으로 뒤덮인 게자리 55e 행성(55 Cancri e)과 대기가 전혀 존재하지 않는 LHS 3844 b라는 행성(LHS 3844 b)이다. 

연구원들은 이 행성들을 이용하여 제임스웹 우주망원경의 고해상도 분광기를 운용해볼 것이며 우리 은하 전반에 있는 행성들의 지질학적 다양성과 지구와 같은 암석질 행성의 진화에 대한 이해를 모색할 것이다. 

 

대단히 뜨거운 슈퍼지구 게자리 55e

게자리 55e는 태양을 닮은 자신의 별에서 240만 킬로미터 떨어져 있다.

이 거리는 태양과 수성 거리의 25분의 1에 지나지 않는 거리이며 한 번 공전하는데 18시간밖에 걸리지 않는다. 
이 행성의 표면 온도는 일반적인 암석을 구성하는 광물들의 녹는 점보다 훨씬 높으며 주간 반구는 용암으로 뒤덮혀 있을 것으로 추정된다. 

 

이처럼 자신의 별에 바짝 붙어 돌고 있는 행성들은 중력 잠금 상태에 있는 것으로 추정된다. 
따라서 이 행성들은 자전하지 못하며 항상 동일한 반구가 별을 향해 있게 된다. 

그 결과 이러한 행성들에서 가장 뜨거운 지점은 자신의 별을 직접적으로 바라보는 부분일 것이며 이 지점에 쌓이는 어마어마한 열기는 오랜 시간동안 전혀 변화가 없는 상황일 것이다. 

하지만 게자리 55e도 그런 상황일까?

NASA의 스피처 우주망원경이 관측한 게자리 55e 관측데이터에 따르면 이 행성에서 가장 뜨거운 지점은 별을 가장 직접적으로 바라보고 있는 지점에서 벗어나 있으며 주간 반구에서 감지된 열의 총량은 다양하게 나타나는 것으로 조사된 바 있다. 

게자리 55e는 두꺼운 대기를 가지고 있을까?

이러한 관측 결과를 기반으로 가능한 설명 중 하나는 이 행성이 행성 전역에 열을 실어나르는 역동적인 대기를 가지고 있다는 것이다. 

제임스웹 우주망원경의 근적외선카메라(Near-Infrared Camera, 이하 NIRCam) 탐사와 중대역적외선장비(Mid-Infrared Instrument, 이하 MIRI)탐사를 맡게될 연구팀의 책임자이자 NASA제트추진연구소의 후레뉴(Renyu Hu)의 설명은 다음과 같다. 
"게자리 55e는 산소와 질소가 주 성분인 두꺼운 대기를 가지고 있을 가능성이 있습니다. 만약 이 행성이 정말 대기를 가지고 있다면 제임스웹 우주망원경은 이 대기를 충분히 감지할 수 있는 파장과 감도를 가지고 있기 때문에 이 대기의 성분이 무엇인지 알 수 있습니다."

게자리 55e에는 저녁에 용암비가 내릴까?

또다른 흥미로은 가능성은 이 행성이 중력잠금상태가 아닐 수도 있다는 것이다. 
이 행성은 마치 수성처럼 두 번 공전할 때마다 3번 자전할 수도 있다.(이를 3대2 공명이라 한다.)
그렇다면 이 행성은 밤과 낮이라는 주기를 갖게 된다. 

 

이 행성을 다루는 또다른 연구팀의 책임자인 스톡홀름대학의 과학자 알렉시스 브란데커(Alexis Brandeker)의 설명은 다음과 같다.
"이 행성의 자전은 가장 뜨거운 지점이 이동하는 것을 설명할 수 있는 근거가 됩니다.
이 행성이 자전한다면 지구와 마찬가지로 지표가 가열되는데 시간이 걸립니다. 
따라서 가장 뜨거워지는 시간은 정오가 아닌, 오후가 되는 거죠."

브란데커의 연구팀은 NIRCam을 이용하여 서로 다른 4개의 공전 지점에서 게자리 55e 행성의 가장 자리로부터 복사되는 열기를 측정하여 자신들의 가설을 검증할 계획이다. 만약 이 행성이 3대2 공명 체계를 가지고 있다면 이들은 각각의 반구를 두 번 관측하게 될 것이고 각 반구 사이의 차이를 감지할 수 있을 것이다. 

이 가설에 따르면 행성의 표면은 낮동안 가열되고, 녹아, 기화까지 될 수도 있으며 제임스웹 우주망원경이 탐지 가능한 매우 얇은 대기를 만들게 될 것이다. 
하지만 밤에는 기화된 대기가 냉각되고 응축되면서 용암으로 된 방울을 만들고 이 방울들이 다시 비처럼 떨어지면서 토양으로 돌아올 것이다. 

이보다는 차가운 슈퍼 지구 LHS 3844 b

게자리 55e가 용암에 뒤덮인 독특한 지질학에 대한 통찰을 제공해 준다면 LHS 3844 b는 외계행성의 표면에 있는 암석들을 분석할 수 있는 독보적인 기회를 제공해 준다. 
LHS 3844 b는 게자리 55e와 마찬가지로 자신의 별에 바짝 붙어 공전하고 있다. 
이 행성의 공전주기는 11시간이다. 
하지만 이 행성의 별인 LHS 3844는 상대적으로 크기도 작고 온도도 높지 않은 별이다. 
따라서 이 행성은 표면이 녹을만큼의 열을 받지 않는 상태이다. 
게다가 스피처 우주망원경을 이용한 관측 결과는 이 행성이 대기를 가지고 있지 않을 확률이 높다는 점을 말해주고 있다. 

LHS 3844 b의 표면은 무엇으로 구성되어 있을까?

직접적으로 LHS 3844 b의 표면을 촬영할 수 없을지라도 이 행성의 표면을 가리는 대기가 없다면 그 표면을 분광학적으로 연구해볼 수는 있다. 

 

막스플랑크 천문학 연구소의 라우라 크라이드버그(Laura Kreidberg)의 설명은 다음과 같다.
"서로 다른 유형의 바위는 다른 스펙트럼을 보여줍니다.  화강암은 현무암보다 밝은 색을 가지고 있다는 걸 쉽게 알 수 있을 겁니다.  이와 비슷하게 적외선에서도 바위들은 서로 다른 스펙트럼을 방출합니다."

크라이드버그의 연구팀은 MIRI를 이용하여 LHS 3844 b의 주간반구에서 나타나는 열복사를 촬영할 것이다. 
그리고 이 자료를 화강암이나 현무암처럼 이미 알려진 바위의 스펙트럼과 비교하여 그 성분이 무엇인지 확인할 것이다. 
만약 이 행성에서 화산활동이 일어나고 있다면 이 행성의 스펙트럼은 화산 가스의 양을 추적할 수 있는 단서도 알려줄 것이다. 

 

이러한 일련의 관측은 우리 은하에서 찾아낸 5,000 개 이상의 외계행성에서 단지 두 개를 관측한다는 사실을 뛰어넘는 중요성이 있다. 
크라이드버그의 설명은 다음과 같다.
"이번 관측을 통해 지구와 같은 행성들에 대한 놀랍도록 새로운 관점을 얻을 수 있을 것이고 이는 초기 지구가 이들 행성처럼 뜨거웠을 때의 모습이 어땠을 지를 배울 수 있도록 도와줄 것입니다."

게자리 55e와 LHS 3844 b에 대한 일련의 관측들은 제임스웹 우주망원경의 1차 주기 일반 관측 프로그램의 일환으로 진행될 것이다. 

 

제임스웹 우주망원경의 일반관측 프로그램은 이중 익명 리뷰 시스템을 이용한 경쟁선정방식으로 진행된다. 
동일한 방식이 허블우주망원경 사용할당에도 활용된다. 
제임스웹 우주망원경은 첨단 우주과학천문대이다. 
제임스웹 우주망원경은 태양의 수수께끼를 탐사하고 다른 별들 주위에 있는 행성을 탐구하며 ,우리 우주의 신비로운 구조와 기원을 탐사하는 한편 그 안에서 우리의 위치가 무엇인지를 알아내고자 한다. 
제임스웹 우주망원경은 NASA와 유럽우주국(European Space Agency, ESA), 캐나다 우주국(the Canadian Space Agency)이 함께 진행하는 국제협력프로그램이다. 

 

출처 : NASA 제임스웹 우주망원경 공식 사이트 2022년 5월 26일 뉴스