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- 화성이나 금성과 유사한 대기는 존재하지 않는다.
- TRAPIST-1e 표면에 액체 상태의 물, 심지어 바다가 존재할 가능성을 배제하지 않아
- 지구보다 복사선을 덜 받기 때문에, 거주 가능하려면 더 많은 온실가스가 필요
- 이미 15회의 추가 천체 통과 관측이 진행 중

외계행성 TRAPPIST-1e, 천문학자들에 의문 제기
분광 데이터, 지구 근처, 잠재적으로 생명체 거주 가능 쌍둥이 행성의 대기에 대한 의문 제기

대기가 있을까? 40광년 떨어진 외계행성 TRAPPIST-1e는 대기가 있다면 생명체가 살 수 있는 물이 풍부한 행성일 수 있다. 그러나 제임스웹 망원경의 초기 분광 데이터는 의문을 제기한다. 짙은 질소-메탄 대기를 시사할 수도 있지만, 대기가 없는 행성일 가능성도 있다. 두 가지 시나리오 모두 관측 데이터의 일부만을 설명할 뿐이다. 이는 구체적으로 무엇을 의미할까? 

▲ 불과 40광년 거리에 있는 적색 왜성 트라피스트-1에는 지구와 유사한 행성이 7개 있다. 하지만 그중 생명체 거주 가능한 행성은 몇 개일까? © NASA/ESA/CSA, STScI, Joseph Olmsted (STScI)

적색 왜성 TRAPPIST-1 주위를 도는 지구형 행성 7개는 현재 천문학에서 가장 흥미로운 천체 중 하나다. 이 외계행성들은 지구와 크기가 비슷하며, 그중 몇몇은 생명체 거주 가능 구역을 공전하고 있다. 따라서 대기가 있다면 생명체가 살 수 있는 조건을 제공할 수 있다. 그러나 제임스웹 망원경 관측 결과, 가장 안쪽에 있는 세 행성인 TRAPPIST-1 b, c, d는 이미 이러한 가능성을 배제했다.

TRAPPIST-1e: 생명체 거주 가능 행성?

이제 네 번째 행성에 대한 첫 번째 데이터가 확보되었다. 근처 별 주위에서 잠재적으로 생명체 거주 가능 행성 중 첫 번째 행성이다. 매사추세츠 공과대학교(MIT)의 아나 글리든과 동료들은 "TRAPPIST-1e는 이 항성계의 다른 행성들보다 대기를 유지했을 가능성이 더 높다."라고 설명한다. 이는 네 번째 행성이 ​​항성에서 더 멀리 떨어져 있어 항성으로부터 받는 에너지가 낮은 X선과 자외선을 받기 때문이다.

▲ TRAPPIST-1의 7개 행성 개요. © NASA/JPL-Caltech

TRAPPIST-1e는 생명체 거주 가능 쌍둥이 행성으로 특히 유력한 후보로 여겨진다. 천문학자들은 "TRAPPIST-1 항성계에서 행성 e는 대기가 있다면 표면에 액체 상태의 물이 있을 가능성이 높기 때문에 두드러진다."라고 설명했다. 이것이 사실인지 확인하기 위해, 그들은 제임스웹 망원경의 NIRSpec 근적외선 분광기를 사용하여 외계행성이 항성 앞을 네 번 통과하는 동안 관측했다.

1차 대기가 없다.

결과:
분광 데이터는 희미한 흡수선을 보여주었지만, 천문학자들의 보고에 따르면 안타깝게도 선명한 이미지는 없었다. 네 번의 통과 중 두 번 동안, 별에서 방출된 복사 폭발이 측정에 간섭을 일으켰다. 그럼에도 불구하고 글리든과 그녀의 팀은 초기 통찰력을 얻었고, 적어도 일부 대기 유형을 배제할 수 있었다.

첫 번째 발견은 천문학자들이 보고한 "TRAPPIST-1e는 수소가 지배적인 대기를 가지고 있지 않을 가능성이 매우 높다"는 것이다. 수소의 분광 특징은 거의 감지할 수 없다. 분석에 따르면 수소 함량이 50%에 달할 확률은 1%에 불과하다. 이는 외계행성이 원시 구름에서 유래한 수소와 헬륨으로 구성된 1차 가스 외피를 이미 잃었음을 의미한다.

화성이나 금성과 유사한 대기는 존재하지 않는다.

두 번째 발견: TRAPPIST-1e의 경우, 짙은 이산화탄소 대기 또한 존재할 가능성이 낮다. 글리든과 동료들은 "명확한 이산화탄소 흔적이 없다는 것은 화성과 같은 맑은 가스층이나 금성처럼 짙고 흐리거나 맑은 대기를 가질 가능성을 시사한다"고 보고했다. 만약 이 외계행성에 이산화탄소가 존재한다면, 그 양은 적거나 스펙트럼적으로 비활성인 분자들의 두꺼운 베일 아래에 숨겨져 있을 가능성이 높다.

적어도 세 번째 발견은 희망을 준다. 천문학자들은 "대기가 존재한다면, 우리의 데이터는 메탄과 함께 비교적 무겁고 스펙트럼적으로 비활성인 가스를 가장 잘 반영한다"고 기술했다. 이 발견에 따르면, TRAPPIST-1e는 분자 질소(N₂)와 메탄(CH₄)으로 구성된 대기를 가질 수 있다. 질소는 관측 조건에서 매우 약한 스펙트럼 신호만 남기겠지만, TRAPPIST-1e의 가스층을 지배할 수도 있다.

▲ 제임스웹 망원경으로 얻은 TRAPPIST-1e의 투과 스펙트럼. © Espinoza et al. /The Astrophysical Journal Letters, CC-by 4.0

하지만 따뜻한 타이탄일 가능성도 있을까?

따라서 적색 왜성 TRAPPIST-1 주위를 도는 네 번째 행성은 태양계의 암석 행성들과는 상당히 다른 대기를 가질 수 있다. TRAPPIST-1e의 기체 외피는 따뜻한 타이탄과 더 비슷할 것이다. 이 토성 위성은 또한 질소로 주로 구성된 대기를 가지고 있으며, 최대 5%의 메탄과 기타 탄화수소를 함유하고 있다.

그렇다면 이는 TRAPPIST-1e의 거주 가능성에 어떤 의미를 가질까? 글리든과 동료들은 "이 행성은 지구보다 복사선을 덜 받기 때문에, 전 세계적으로 거주 가능하려면 더 많은 온실가스가 필요하다"고 설명했다. 그럼에도 불구하고, 그들은 TRAPIST-1e 표면에 액체 상태의 물, 심지어 바다가 존재할 가능성을 배제하지 않는다. 그러나 이를 위해서는 가스층이 행성을 따뜻하게 할 만큼 충분히 밀도가 높아야 한다.

그러나 현재까지 확보된 자료로는 이 잠재적으로 거주 가능한 행성의 대기를 결정하기에 충분하지 않다는 것도 분명하다. 따라서 천문학자들은 아직 TRAPPIST-1e가 밀도가 높은 질소-메탄 외피를 가지고 있는지, 아니면 얇은 질소-메탄 외피를 가지고 있는지, 아니면 대기가 전혀 없는지 확실하게 말할 수 없다.

이미 15회의 추가 천체 통과 관측이 진행 중이다.

하지만 이러한 상황은 곧 바뀔 수 있다. 연구팀은 이미 웹 망원경을 이용하여 항성 앞에서 15회의 추가 천체 통과 관측을 추적하고 있다.

하이라이트:
천문학자들은 외피가 없는 행성 TRAPPIST-1b와 TRAPPIST-1e가 거의 동시에 지나가는 모습을 기록하고 있다. 직접 비교를 통해 어떤 분광 신호가 별과 그 활동에서 나오는지, 어떤 분광 신호가 행성에서 나오는지 더 정확하게 판별할 수 있다.
글리든과 동료들은 "이러한 새로운 관측 결과는 TRAPPIST-1e의 이산화탄소 상한선을 결정하는 데 도움이 될 수 있으며, 질소와 메탄에 대한 추가적인 증거를 제공할 수 있다"고 설명했다.

참고: The Astrophysical Journal Letters, 2025; doi: 10.3847/2041-8213/adf42e; doi: 10.3847/2041-8213/adf62e
출처: Space Telescope Science Institute

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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