제임스웹 우주망원경이 WASP-80 b에서 메탄을 발견하다.

제임스웹 우주망원경이 외계행성 WASP-80 b를 관측했다. 
이 행성이 자신의 별 전면을 지나거나, 뒤로 숨어들어가는 모습을 관측하면서 대기에 메탄가스와 수증기가 있음을 말해주는 분광데이터를 확보할 수 있었다. 

지금까지 대기에서 수증기가 관측된 외계행성은 열 두 개가 넘는다.
하지만 외계행성이 자신의 별 전면을 지날 때 수집한 분광데이터에서 메탄을 포착하는 것은 여전히 어려운 과제로 남아 있다. 
참고로 태양계의 경우 목성과 토성, 천왕성과 해왕성 대기에 메탄 분자가 풍부하게 존재한다. 
 

아래 내용은 NASA 에임스 연구센터에서 근무중인 베이 에어리어 환경연구소(the Bay Area Environmental Research Institute, BAERI)의 테일러 벨(Taylor Bell)과 아리조나 주립대학의 루이스 웰뱅크스(Luis Welbanks)가 외계행성에서 메탄 발견의 중요성과 어떻게 메탄 분자를 찾아낼 수 있었는지를 설명한 내용이다. 

이번 발견은 최근 네이처지에 개재되었다. 

 

Image credit: NASA.

그림1 > WASP-80 b를 그린 상상화
WASP-80 b의 색깔은 상층 대기에 구름이 없다는 점과 메탄이 존재한다는 점에서 마치 태양계의 천왕성과 해앙성처럼 파란색으로 보일 것이다. 

 

절대온도 825K(섭씨 약 550도)로 끓고 있는 외계행성 WASP-80b를 천문학자는 '뜨거운 목성형 행성(warm Jupiter)'이라 부릅니다. 
통과현상을 통해 처음 발견된 외계행성은 HD 209458 b입니다.

이 행성의 기온은 1,450K, 그러니까 무려 1,176도나 됐죠.
'뜨거운 목성형 행성'이란 이 행성처럼 목성과 비슷한 질량에, 뜨거운 온도로 끓고 있는 행성을 말합니다. 
반대로 '차가운 목성형 행성(cold Jupiter)'도 있습니다. 
이 경우 기온은 약 125K, 그러니까 영하 148도 정도의 행성이죠. 

WASP-80b는 독수리자리 방향으로 163광년 거리에 있습니다. 
그리고 자신의 별인 위치하며 자신의 별인 WASP-80이라는 적색왜성을 3일에 한 번꼴로 공전하죠. 
163광년이라는 머나먼 거리에, WASP-80b가 자기 별에 너무나 가깝게 붙어 있다보니 제임스웹 우주망원경과 같은 최첨단 망원경으로도 직접 바라보는 건 불가능하답니다. 

대신 과학자들은 이곳에서 온 빛을 연구하죠. 
통과관측법(the transit method)으로 얻은 빛과 식관측법(the eclipse method)으로 얻은 빛 모두를 활용합니다. 

참고로 현재까지 알려진 외계행성 중 상당수가 바로 통과관측법으로 발견되었답니다. 

통과관측법이란 우리 시선에서 행성이 자기 별 전면을 지나가는 것을 관측하는 것입니다. 
행성이 별 앞을 지나가면서 별빛이 약간 어두워지죠. 
사람이 전등 앞을 지나갈 때 전등빛이 가려지는 것과 같은 현상입니다. 

행성이 자기 별 전면을 지나는 동안 주야경계선에 해당하는 행성의 얇은 대기 고리는 별빛을 받아 빛나게 됩니다. 
그리고 이 빛 중 특정 부분은 행성 대기에 있는 특정 분자에 의해 흡수되죠. 
이 부분의 대기는 좀더 두꺼워보이고, 더 많은 빛을 차단하게 되는데 그 결과 대기를 무사통과한 다른 파장의 빛과 비교했을 때 침침하게 나타나죠. 
과학자들은 이때 어떤 색깔이 차단되었는지를 확인함으로써 행성 대기의 구성성분을 알게 됩니다. 

반면 식 관측법(the eclipse method)은 행성의 자신의 별 뒤편으로 숨어들어갈 때 발생하는 약간의 빛 감소를 관측하는 방법이죠. 
모든 물체는 '열복사(thermal radiation)'라는 복사를 방출합니다. 
이 복사의 강도와 색깔은 대상 물체가 얼마나 뜨거운지에 따라 달라지죠. 

뜨거운 주간반구가 우리를 향하는 상태에서 별의 뒤편으로 돌아가기 바로 전과 후에 줄어든 빛을 측정함으로써 행성에서 복사된 적외선을 측정할 수 있습니다. 
식 관측법을 통해 확보한 분광데이터에는 행성 대기 분자의 흡수작용으로 줄어든 특정 파장의 복사광이 드러나게 됩니다. 
일반적으로 행성은 자기 별보다 훨씬 작고 차갑기 때문에 식 현상에서 발생하는 빛의 감소 정도는 통과 때보다는 훨씬 적게 나타나죠. 

 

Image Credit: BAERI/NASA/Taylor Bell.

그림 2> WASP-80 b의 통과 스펙트럼(위)과 식 스펙트럼(아래)이다. 
수증기와 메탄에 의해 나타난 흡수선 영역이 다른 색깔로 표시되어 있다. 

우리가 수행한 초기 관측은 스펙트럼으로 변환할 필요가 있었습니다. 
서로 다른 파장에서 얼마나 많은 빛이 행성 대기에 의해 차단되거나 복사되는지를 측정하려면 필수적인 일이죠. 

 

관측을 통해 얻은 원천 자료를 쓸만한 분광 데이터로 변환하는 도구가 많이 있답니다.
우리는 발견한 내용이 서로 다른 가정에 대해 확실히 대응될 수 있는지 확인하기 위해 두 가지 다른 접근 방법을 활용했습니다. 
그리고 이처럼 극단적인 조건을 가진 행성의 대기가 어떤 모습을 보일지 가정한 두 가지 모델을 이용하여 분광데이터를 해석했습니다. 

첫번째 모델은 완전히 유동적인 모델이었습니다.
우리가 획득한 관측 데이터와 꼭 들어맞는 조합을 찾기 위해 메탄과 수증기의 양, 그리고 기온을 수백만 가지로 조합했죠. 

'자기 일관성 모델( self-consistent models )'이라 부른 두 번째 모델 역시 수백만 가지 조합을 시도하긴 마찬가지였습니다.
하지만 우리가 알고 있는 물리학과 화학 지식을 활용하여 메탄과 수증기 조합이 어느정도로 예측될지를 시도했다는 차이가 있죠. 

그런데 두 모델 모두 같은 결론에 도달했습니다.

메탄이 분명 존재한다는 결론이었죠. 

이같은 결론을 검증하기 위해 우리는 통계적 모델을 구축하기로 했습니다.
이를 이용하여 우리 관측 데이터에 노이즈가 섞여 들어왔을 가능성을 평가했죠. 

이 분야에서 우리가 '황금기준'로 삼는 것은 '5 시그마 탐색법(5-sigma detection)'이라 부르는 것입니다.
노이즈로 인해 엉뚱한 것을 탐지했을 가능성을 170만분의 1의 확률로 검증하는 것이죠. 
검증을 진행하는 동안 메탄은 통과 스펙트럼과 식 스펙트럼 모두에서 6.1시그마로 확인되었습니다.
이는 각 관측에서 발생할 오류의 가능성이 9억 4,200만 분의 1임을 의미하는 것이었죠.
5-시그마라는 '황금기준'을 훨씬 초과하는 것으로 우리가 메탄을 확실히 감지했다는 것이 확증되는 순간이었습니다. 

이처럼 확실한 결과는 정말 탐지하기 어려운 분자를 찾아냈다는 것 뿐 아니라 이 행성이 화학 조성이 우리에게 말해주는 이탄생과 성장, 진화 과정을 이제 막 알아내기 시작했다는 점에서 의미가 있습니다. 
예를 들어 이 행성에 메탄과 물이 얼마나 있는지 알게 되면 이를 통해 탄소원자와 산소원자의 비율를 추정할 수 있게 됩니다. 
이 비율은 이 행성계에서 WASP-80 b가 어디서, 언제 만들어졌는지를 추정할 수 있게 해주죠. 
즉, 탄소와 산소 비율을 통해 이 행성이 애초에 자기 별 가까이에서 만들어졌는지, 아니면 먼곳에서 만들어진 후 점차 별에 가까워진 것인지 알 수 있는 단서를 얻게 됩니다. 

또하나 우리를 기대하게 만드는 것은 이 행성을 우리 태양계 외곽에 있는 행성과 비교할 수 있게 된다는 것입니다. 
NASA는 외행성계의 거대 가스 행성들로 우주선을 보내 그 대기에 메탄을 비롯한 분자가 얼마나 많이 있는지를 탐색해왔습니다. 
이제 외계행성계에서도 완전히 동일한 유형의 행성을 비교대상으로 삼을 수 있게 된 것입니다. 

이번 결과는 마침내 우리가 훨씬 더 멋진 발견을 할 수 있는 상황 바로 직전에 왔다는 것을 보여주는 것입니다. 

WASP-80 b 대기에 또 어떤 분자가 있을지 알아내기 위한 또다른 파장의 탐사 계획이 승인되었습니다. 
이번 발견으로 일산화탄소나 이산화탄소와 같은 탄소 분자 관측도 가능할 것이라 생각하게 되었습니다.
그렇게 되면 행성 대기의 조건에 대해 보다 포괄적인 그림을 그릴 수 있게 되죠. 
  
이번에 메탄과 다른 가스를 발견한 것처럼 지구와는 다른 환경을 가진 행성의 화학적, 물리적 조건에 대한 지식을 넓여가다보면 어느순간 우리 지구와 비슷한 행성도 만나게 될 것입니다. 

분명한 것은 제임스웹 우주망원경과 함께하는 새로운 발견의 여정은 새로운 놀라움으로 가득할 것이라는 점입니다. 

출처 : NASA 제임스웹 우주망원경 공식 블로그  2023년 11월 22일 포스팅

 

참고 : WASP-80 b를 비롯한 다양한 외계행성에 대한 블로그 포스팅은 다음 링크에서 확인할 수 있습니다.