제임스웹 망원경, 암석형 외계행성 TRAPPIST-1bd를 관측

M등급 적색왜성 TRAPPIST-1bd(트라피스트)는 물병자리 내에 있는 초저온 적색왜성 중에 하나이다. 작고 온도가 낮은 항성임에도 우리 태양과 같이 많은 행성을 거느리고 있어 천문학자들의 관심을 받았다. 적색 왜성 중에는 단연 가장 많은 행성을 거느리고 있으며, 전체 태양계로 넓혀도 많은 수의 행성을 지니고 있다.

 

천문학자들에게 더 큰 관심을 끈 사실은 모 항성을 도는 TRAPPIST-1d, le, lf, lg행성이 골디락스 존(인류와 비슷한 생명체 거주 가능 온도를 지닌 영역)에 존재하고 있음이 밝혀졌기 때문이다. 그래서 위 항성은 순식간에 가장유명한 천체로 떠올랐다. 

 

특히 우주의 별 중 대략 최소 70%가 넘는 별이 적색왜성임을 생각해보면, TRAPPIST-1은 수많은 어두운 별 중 글리제 581과 함께 가장 탐구가치가 높은 적색 왜성이 된 셈이다.

 

1. 가장 안쪽에서 태양계를 공전하고 있는 TRAPPIST-1b

가장 안쪽에 있는 행성인 TRAPPIST-1b는 매우 가까운 거리(0.011AU_1AU:지구와 태양 사이의 거리)에서 모 항성을 공전하고 있는 행성이다.

 

즉, 태양과 지구의 거리 100분의 1정도 밖에 안 되는 거리이다. 따라서 지구의 1.51일이면 위행성은 한 번의 공전을 완료한다. TRAPPIST-1b는 지구보다 약간 크지만 밀도는 비슷하여 암석으로 이루어졌다고 예측한다

 

위 행성은 모 항성이 태양보다 훨씬 어둡고 차가운 별임에도 지구가 태양으로부터 받는 에너지의 약 4배에 달하는 양을 받고 있으며, 여러 유명한 우주 관측 임무를 통해서 수차례 관측된 바 있다.

 

2. 중적외선 기기를 이용하여 대가가 없음을 결론

토마스 그린 박사가 이끄는 연구팀은 적외선에 특화된 제임스 웹 우주망원경은 중적외선 기기를 활용하여 행성을 관측하여 행성이 얼마나 많은 적외선을 방출하고 있는지 계산하였다. 관측 결과 TRAPPIST-1b의 낮 온도는 약 230 도로 나타났고, 대기가 없는 경우보다 낮 온도가 더 낮을 것으로 예상되어 연구팀은 이 행성에 대기가 없다고 결론지었다.

 

보통 행성과 모항성이 공전하며 상호작용을 할 때의 물리학적 변수나, 모항성의 빛을 가릴 때 광도를 측정하여 행성 크기 등에 관한 정보를 얻는데, 아쉽게도 이러한 방법으로는 해성 온도를 알아내기는 힘들다

 

3. 2차 일식 광도 측정을 통해 온도를 알아내다

연구팀은 행성이 모항성 뒤로 숨은 직후 해당 태양계의 전체 밝기가 살짝 내려감을 이용하여 행성의 대기온도를 측정했다. 행성이 별 옆에 있으면 별과 행성의 낮은 쪽에서 방출되는 빛이 모두 망원경에 도달하여 태양계가 더 밝게 보이지만, 행성이 별 뒤로 숨게 되면 행성에서 방출되는 빛이 차단되고 별빛만 망원경에 도달하기 때문에 태양계 시스템의 겉보기 밝기는 감소한다.

 

천문학자들은 별과 행서의 밝기를 합친 밝기에서 별의 밝기를 제거한 후 행성의 낮에 얼마큼의 적외선이 나오는지 계산할 수 있다. 

 

흥미로운 점은 행성 TRAPPIST-1b가 별 뒤로 숨는 순간 태양계의 어두워진 밝기가 0.1%도 안되었다는 점이다.  행성은 별로부터 아주 가까운 거리에서 모항성의 궤도를 돌고 있어 별빛 온도 자체는 낮지 않은 편이나, 외계 행성들은 태양계로부터 상당히 먼 거리에 자리 잡고 있다. 하지만 이런 걱정을 뒤로한 채 제임스 웹 중적외선 기기는 0.027%의 작은 변화도 감지할 수 있다.

 

4. 어떻게 대기가 없음을 알아냈을까?

연구팀은 중적외선 기기와 함께 15 마이크로미터 파장으로 측정한 TRAPPIST-1b의 낮 기온을 다양한 변수들이 포함된 컴퓨터 모델과 비교했고, 절대온도 약 500K 정도에 해당하는 위 행성 온도는 조석 고정의 상황에 해당하는 온도임을 밝혀냈다.

 

즉, 행성의 어두운 면은 대기가 없어서 낮에서 밤으로 온도가 재분배되지 않는다. 별에서 방출하는 열 에너지가(이산화탄소가 없는 순환 대기 등 때문에) 행성 전체에 고르게 분포되어 있다면, 행성 온도는 대략 절대온도 400도로 내려가야 한다.

 

물론 대기에 상당한 양의 이산화탄소가 있다면 15 마이크로미터의 빛은 훨씬 적게 방출된고 더 차가워 보일 것이다. 연구팀은 12.8 마이크로미터 필터를 사용하여 재관 측을 시도하여 연구결과를 교차 검증 했고

 

지구만큼 작은 암석 행성에서 방출하는 최초의 관측임을 강조하며, TRAPPIST-1b는 지구보다는 뜨겁지만, 암석과 별다른 대기가 없어 수성의 낮보다는 춥다는 것을 알아냈다.

 

5. 이러한 관측이 의미하는 바는?

비록 생명체 거주 가능 영역에 자리 잡고 있지 않은 행성이며, 지나치게 태양을 가까이서 돌고 있기에 주목을 덜 받는 외계행성이지만, 중요한 점은 현재 작은 항성 주위를 도는 행성이 생명체를 유지하는데 필요한 대기를 유지할 수 있는지를 결정하는데 제임스 웹 우주망원경이 요긴하게 쓰일 수 있다는 점이다.

 

또한 해당 기법이 성공적으로 적용됨에 따라, 앞으로 여러 외계 행성의 추가 정보를 폭넓게 얻을 수 있다는 기대를 모으고 있어, 이러한 결과를 바탕으로 외계 태양계가 우리 태양계와 얼마나 닮았는지, 또한 해당 태양계에도 지구와 같은 생명체 친화적 행성이 존재하는지 알 수 있으리라 기대된다.

 

 

 

우주에 관한 흥미로운 이야기(30)