[과학을읽다]지구형 외계행성 사상 첫 직접 관측 성공

웹 망원경, 지구 40광년 트래피스트-1 b 행성
MIRI 동원 희미한 빛 직접 촬영해
그동안 작은 외계행성은 간접 관측만 가능
온도 확인해 대기 존재 여부 판단도

제임스 웹 우주망원경(JWST)이 사상 처음으로 지구에서 멀리 떨어진 소형 외계 행성의 희미한 빛을 직접 포착해 온도를 측정하고 대기가 거의 없다는 사실을 확인했다.

트래피스트-1 항성계 가상 이미지. 사진출처=NASA

미 항공우주국(NASA) 소속 에임스 연구소는 28일(현지 시각) 이같은 연구 결과를 국제학술지 네이처(Nature)에 공개했다. 연구소는 지구에서 약 40광년 떨어진 적색 왜성 트래피스트-1(TRAPPIST-1) 항성계의 첫번째 행성 트래피스트-1 b(TRAPPIST-1 b)를 중적외선 관측기(MIRI)로 촬영하는데 성공했다고 밝혔다.

이는 인류가 태양계 밖 외계에서 지구처럼 작은 암석형 행성을 직접 관측한 최초의 사례다. 현재까지 인류는 태양계 밖에 멀리 떨어져 있는 소형 행성을 직접 관측할 수가 없었다. 태양같은 항성(Stellars)들은 스스로 빛을 내기 때문에 원거리 직접 관측이 가능하다. 그러나 지구처럼 항성계에 딸린 행성(Planets)들은 자체 발광하지 않아 어둡기만 하다. 항성을 공전하면서 발생하는 그림자를 통해 밀도ㆍ크기ㆍ대기 성분 등을 간접적으로 관측할 수밖에 없었다. 간혹 목성과 같은 슈퍼자이언트급 행성들의 경우 워낙 크기가 커 일부 관측되긴 했다.

특히 이번에 관측한 트래피스트-1 b 행성은 모성이 매우 가깝다. 모성과 이 행성 사이의 거리는 태양과 수성(Mercury) 사이의 거리의 40분의 1에 불과할 정도다. 지구-태양 간 거리 대비 100분의 1 정도로 초근접해 있다. 일반적인 경우에선 항성계 중심의 별에 가까운 행성들은 빛과 열에 가려져 원거리 관측이 불가능했다.

하지만 이번 경우는 항성계 중심 별이 온도가 낮은 적색 왜성(Red Dwarfs)이라는 점, JWST에 장착된 MIRI 장비의 고감도 관측 성능이 복합적으로 작용해 최초로 '직접 관측'에 성공한 것으로 알려졌다. NASA는 "태양계의 암석형 행성처럼 차갑고 작은 외계행성에서 방출된 모든 빛을 처음으로 관측했다"면서 "트래피스트-1과 같은 작은 활성 항성 주위를 도는 행성이 생명 유지에 필요한 대기권을 유지할 수 있는지 여부를 판단할 수 있는 중대한 단서를 제공했다"고 설명했다.

강성주 국립과천과학관 학예관은 "이번 관측은 그동안 거의 불가능하다고 생각했었던 것이지만 JWST의 MIRI라서 성공해다고 본다"면서 "의미있는 발견으로 인류가 지구형 소형 암석 행성을 처음으로 직접 관측했다는 것"이라고 설명했다.

트래피스트-1 b 행성 온도 측정 모식도. 사진출처=NASA 홈페이지

연구소는 또 이번 관측 결과로 트래피스트-1 b 행성의 온도를 측정해 대기권 존재 여부를 파악하는데 성공했다. 이 행성의 대기권 온도는 약 500K(화씨 450도ㆍ섭씨 232.2도)로 나타났다. 이는 연구팀이 사전에 이 행성 내에 대기가 거의 존재하지 않았을 경우에 예상했던 온도와 비슷한 수준이다. 즉 트래피스트-1 b 행성에는 대기가 존재하지 않거나 매우 희박한 것으로 추정된다. 강 학예관은 "대기권이 있으면 순환이 이뤄져 행성의 온도가 비교적 낮게 유지가 되고 대기권이 없으면 직사광선으로 인해 온도가 매우 높게 관측된다"면서 "이번 관측으로 측정된 온도 수준은 대기권이 없을 때를 가정해 예상했던 수치와 매우 비슷했고, 이를 바탕으로 트래피스트-1 b 행성에는 대기가 존재하지 않을 것으로 추정한 것"이라고 설명했다.

트래피스트-1 항성계는 2017년 초 처음으로 관측됐다. 적색 왜성 주위를 7개의 암석형 행성들이 돌고 있다. 마치 태양계와 비슷한 모습으로 관심을 끌었다. 특히 트래피스트-1 항성에서 가장 가까운 트래피스트-1 b 행성은 비록 중심 항성과 지나치게 가까워 이른바 골디락스 존(생명체 존재 가능 지역)에 있지는 않았지만 지구와 비슷한 크기의 암석 행성으로 생명체 존재 가능성을 탐색하는 과학자들의 주요 타깃 중 하나였다.

과학자들은 이번 지구 밖 외계 행성 직접 관측 성공으로 JWST의 놀라운 성능을 다시 한 번 과시했다는 평가다. 비록 트래피스트-1 항성이 적색 왜성이라고 하더라도 트래피스트-1 b 행성은 거리가 너무 가까운 탓에 지구가 태양으로부터 받는 것보다 4배나 많은 빛을 쬐고 있다. 그럼에도 불구하고 JWST에 장착된 MIRI는 해당 행성에서 반사된 희미한 중적외선을 정확히 포착해 온도까지 측정해 낸 것이다. 허블 우주망원경이나 은퇴한 스피처 우주망원경은 그동안 트래피스트-1 항성계를 관측했지만 대기권 존재 여부를 확인하는 성과를 낸 적은 없었다.