외계행성 K2-18 b의 대기에서 메탄과 이산화탄소를 발견하다.

외계행성 K2-18 b를 그린 상상화, Credits: Illustration: NASA, CSA, ESA, J. Olmsted (STScI), Science: N. Madhusudhan (Cambridge University)

 

지구보다 8.6배 무거운 외계행성 K2-18 b에 대한 제임스웹 우주망원경 관측 결과 
이 행성의 대기에 메탄과 이산화탄소를 포함한 유기분자가 존재한다는 것을 확인하였다.
이번 발견으로 K2-18 b 행성은 수소가 풍부한 대기와 표면을 바다가 뒤덮고 있을 가능성이 있는
하이션 외계행성(Hycean exoplanet)으로 간주될 수 있게 되었다.

생명가능구간에 존재하는 이 외계행성의 대기에 대한 연구는 허블우주망원경으로부터 시작되었으며 
이후 이 행성계에 대한 새로운 사실을 밝히는 연구가 이어져왔다.

K2-18 b는 사자자리 방향으로 120광년 거리에 위치하는 K2-18이라는 이름의 난쟁이별 주위를 도는 외계행성이며 
표면에 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 범위인, 이른바 생명가능구간(the habitable zone)에 위치하고 있다.  

지구와 해왕성 중간 정도의 크기를 가진 K2-18 b와 같은 외계행성은 우리 태양계에는 존재하지 않는 유형의 행성이다. 
태양계에 비슷한 행성이 없다보니 '미니해왕성(sub-Neptunes)'으로 분류되기도 하는 이러한 행성에 대한 이해는 빈약한 수준이며 이 행성의 대기가 갖는 속성 역시 천문학자 사이에서는 여전히 논쟁 중인 주제이기도 하다. 

K2-18 b가 하이션 외계행성일 수도 있다는 이번 관측 결과는 아주 흥미로운 결과이다.
몇몇 천문학자들은 이 행성이 외계생명체의 증거를 보여줄 환경을 갖추고 있다고 믿기 때문이다. 

이번 발견을 담은 논문의 주저자인 캠브리지대학 천문학자 니쿠 마드후스단(Nikku Madhusudhan)의 설명은 다음과 같다.
"이번 발견은 외계생명체를 찾는데 있어 좀더 다양한 환경을 고려해야한다는 점을 강조하고 있습니다.
 전통적으로 외계생명체 탐색은 우리 지구와 비슷한 암석질 행성에 초점을 맞추고 있습니다.
 하지만 좀더 규모가 큰 하이션 외계행성이라면 그 대기를 관측하기가 훨씬 더 쉬울 것입니다."
 
풍부하게 존재하는 메탄과 이산화탄소, 그리고 아주 적은 암모니아는 
이 행성의 수소 대기 아래 물로 된 바다가 존재할거라는 가설을 지지하는 요소이기도 하다. 

제임스웹 우주망원경으로 진행된 이번 첫번째 관측에서는 다이메틸설파이드(dimethyl sulfide, DMS)일 가능성이 있는 분자도 포착되었다. 
지구에서 이 분자는 오직 생명체에 의해서 만들어진다. 
지구 대기에 있는 다이메틸설파이드는 주로 식물성 플랑크톤에 의해 만들어진 것이다.
하지만 K2-18 b에서 다이메틸설파이드의 존재 가능성은 현재로서는 확실하지 않으며 추가 검증이 필요한 상황이다.

 

아래 표는 제임스웹 우주망원경의 NIRISS(근적외선 화상기와 연속 분광기, Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) 및 NIRSpec(근적외선 분광기, Near-Infrared Spectrograph)로 획득한 분광 데이터이다. 

Credits: Illustration: NASA, CSA, ESA, R. Crawford (STScI), J. Olmsted (STScI), Science: N. Madhusudhan (Cambridge University)

 

비록 이 외계행성이 생명가능구간에 위치하고 유기분자를 가지고 있긴 하지만 
이것만으로 이 행성에 생명체가 있을거라고 간주할 수는 없다. 
우선 이 행성은 지구보다 2.6배나 큰 직경을 가지고 있다. 
이는 이 행성의 내부에 마치 해왕성처럼 높은 압력을 지닌 거대한 얼음 맨틀이 있으며 해왕성보다는 훨씬 얇은 수소 대기와 바다를 가지고 있다는 것을 의미한다. 

하이션 외계행성은 물로 된 바다를 가지고 있을 것으로 예상되는 외계행성이다. 
하지만 그 바다는 생명이 살 수 없을 만큼 또는 액체 상태의 물이 유지되지 못할 만큼 뜨거울 수도 있다. 

연구팀의 일원인 카디프 대학 슈브하지트 사카르(Subhajit Sarkar)는 미니해왕성 유형의 외계행성은 우리 은하에서 가장 많이 발견되는 유형의 외계행성이며, 이번에 제임스웹 우주망원경을 통해 획득한 데이터는 생명가능구간의 미니해왕성에 대한 가장 상세한 분광데이터여서 대기에 존재하는 분자를 알아내는 작업을 할 수 있었다고 말했다. 

 

 K2-18 b와 같은 외계행성의 대기를 연구하여 그 성분과 물리적 조건을 규명하는 것은 현대 천문학에서 가장 활발한 연구가 진행되는 분야이다. 하지만 외계행성의 대기 연구는 인근에서 어마어마한 빛을 뿜어내는 별 때문에 매우 도전적인 자세가 요구되는 분야이기도 하다. 

 

연구팀은 K2-18 b의 별인 K2-18에서 쏟아져 나온 빛 중 K2-18 b의 대기를 통과한 빛을 분석하는 방법을 사용하였다. 
K2-18 b가 K2-18의 전면을 통과할 때 K2-18의 총 밝기는 그만큼 감소하게 된다. 
이 현상은 NASA 케플러 위성이 2015년 이 외계행성을 처음 발견할 때 활용한 현상이기도 하다. 
이 현상이 의미하는 것은 K2-18의 별빛 중 극히 일부가 K2-18 b의 대기를 통과하여 온다는 것이다. 
이때 외계행성의 대기를 통과해 빛에는 외계행성 대기의 흔적이 남겨진다. 
천문학자들은 이를 추적하여 외계행성 대기의 성분을 결정하게 되는 것이다. 

마드후스단은 이번 연구가 좀더 확장된 파장과 전례없는 해상도를 지닌 제임스웹 우주망원경 덕분에 가능했다고 말하며 다음과 같이 소감을 밝혔다. 
"분광 데이터 수집은 단 두 번의 통과현상을 관측한 후 얻을 수 있었습니다.
 예전과 비교해보자면 허블우주망원경은 이와 같은 데이터를 얻기 위해 수 년에 걸쳐 

 여덟 번 이상의 관측을 해야 했습니다. 그래서 간신히 얻은 데이터도 이번 데이터보다는 훨씬 좁은 파장의 데이터였죠."
 
연구팀의 논문은 아스트로피지컬 저널에 개재될 예정이다.
연구팀은 이번 결과에 대한 추가 검증과 새로운 자료 획득을 위한 추가 관측을 준비하고 있다. 

 

마드후스단은 연구의 궁극적인 목표는 외계행성에 존재하는 생명체를 발견하는 것임을 분명히 했으며 
이를 통해 우주에서 우리의 위치에 대한 인식에 변화가 생길 것이라고 강조했다. 

출처 : NASA 제임스웹 우주망원경 공식 사이트 2023년 9월 11일 뉴스