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- 천문학자들은 약 700광년 떨어진 외계행성 WASP-39b를 표적으로 삼고 분석
- 토성의 질량과 비슷하지만 목성의 1.3배 크기로 팽창, 약 900도까지 가열
- CO2의 명확한 탐지는 외계행성 대기의 특성화에 중요한 이정표
- CO2 함량은 산소 발생에 대한 정보 제공

외계행성에서 처음으로 CO2 감지
James Webb 우주 망원경은 가스 거인의 대기에서 CO2 스펙트럼 사인을 감지했다.

놀라운 성공:
제임스 웹 우주 망원경이 처음으로 외계행성에서 이산화탄소를 감지했다. 망원경의 고해상도 근적외선 분광기는 약 700광년 떨어진 "뜨거운 목성"에서 가스의 흡수선을 감지했다. 이 가스 거인은 별 가까이에서 공전하며 900도까지 가열됐다. 외계행성의 가스 외피에서 CO2를 감지하면 그 형성과 구성에 대한 귀중한 정보를 얻을 수 있다. 

▲ 이것은 외계 가스 행성 QASP-39b의 모습입니다. James Webb 망원경은 처음으로 가스 봉투에서 CO2의 스펙트럼 서명을 감지했다. © NASA/ESA/CSA, Joseph Olmsted(STScI)

행성 연구자들은 외계행성의 구성을 보다 정확하게 분석할 수 있을 만큼 강력한 망원경을 오랫동안 희망해 왔다. 이것은 행성에서 어떤 과정이 일어나고 있는지, 그리고 마지막으로 생명이 존재하는지에 대한 정보를 제공하기 때문이다. 나트륨, 철, 칼륨, 수증기를 포함한 일부 원소와 분자는 이미 허블과 스피처 우주 망원경에 의해 대략적으로 감지되었다.

그러나 그러한 스펙트럼 분석을 위해 특별히 설계된 James Webb 우주 망원경의 근적외선 분광기(NIRSpec)만이 광 스펙트럼에서 훨씬 더 미묘한 분자 신호를 추출할 수 있을 정도로 해상도가 높다.

뜨거운 가스 거인이 보인다.

이것을 바로 James Webb 망원경이 지금 성공시킨 것이다. 캘리포니아 산타크루즈 대학의 Natalie Batalha가 이끄는 천문학자들은 약 700광년 떨어진 외계행성 WASP-39b를 표적으로 삼았다. 이것은 토성의 질량과 비슷하지만 목성의 1.3배 크기로 팽창돼 있다. 그 이유는 단 4일 만에 공전하는 엄마별(모성)까지의 거리가 짧기 때문이다. 이것은 가스 거인을 약 900도까지 가열하여 소위 "뜨거운 목성"으로 만든다.

▲ Webb 망원경의 근적외선 분광기(NIRSpec)로 얻은 거대 가스 WASP-39b의 투과 스펙트럼. CO2가 방사선을 흡수하는 범위에서 4.3 마이크로미터의 파장에서 증가하는 것을 명확하게 볼 수 있다. © NASA/ESA/CSA, Leah

공동 저자인 제네바 대학의 모니카 렌들(Monika Lendl)은 "열로 인해 행성의 대기가 팽창한다"고 설명했다. 우리의 관점에서 WASP-39b는 각 궤도에서 모성 바로 앞을 지나간다. 팽창된 대기와 빈번한 통과의 조합으로 인해 별빛이 가스 봉투를 통과할 때 생성되는 스펙트럼 신호를 식별하기가 특히 쉽다.

 

"거대한 신호“

공저자인 볼티모어에 있는 존스 홉킨스대학의 자파 루스탐쿨로프(Zafar Rustamkulov)는 "첫 데이터가 내 화면에 나타나자마자 엄청난 이산화탄소 신호가 내 눈을 사로잡았다"라고 말했다. 스펙트럼에서 CO2 시그니처는 4.3㎛파장 범위의 미세한 흡수선 그룹으로 볼 수 있다. 무려 26시그마의 표준편차를 가진 이 사인은 절대 빼놓을 수 없고 매우 구체적이라고 팀은 보고했다.

천문학자들이 처음으로 외계행성의 대기에서 CO2를 감지하는 데 성공한 것이다. 

"우리가 외계행성 연구에서 중요한 문턱을 넘었기 때문에 특별한 순간이었다"라고 루스탐클로프(Rustamkulov)는 말했다. 공동 저자인 Max Planck Institute for Astronomy의 라우라 크라이드베르그(Laura Kreidberg)는 다음과 같이 덧붙였다. "이러한 CO2의 명확한 탐지는 외계행성 대기의 특성화에 중요한 이정표다."

CO2가 대기에서 드러내는 것

이산화탄소는 온실가스로서 대기에서 중요한 역할을 하므로 기후에 영향을 미친다. 따라서 행성이 얼마나 거주 가능한지 밝힐 수 있다. 또한 CO2 함량은 산소 발생에 대한 정보를 제공하므로 가스 봉투와 행성 표면에서 발생할 수 있는 화학적 과정에 대한 정보를 간접적으로 제공한다. 또한 대기의 구성은 행성의 형성과 진화에 대한 정보를 제공한다.

"이산화탄소 분자는 행성 형성 과정에 대한 민감한 표지자이다"라고 공동 저자인 애리조나 주립 대학의 마이크 라인(Mike Line)은 설명한다. "CO2를 측정함으로써 우리는 그러한 가스 행성의 형성에 얼마나 많은 고체 및 기체 물질이 관련되었는지를 결정할 수 있다. 다양한 유형의 행성에 대한 Webb 망원경의 더 많은 측정을 통해 우리는 행성이 어떻게 형성되고 우리 태양계가 얼마나 독특한지 더 많이 알 수 있다.”

큰 성공과 좋은 징조

"WASP-39b에서 이러한 명확한 이산화탄소 신호의 발견은 좋은 징조다. 더 작은 지구 크기 행성의 대기를 발견하고 물과 메탄과 같은 다른 가스의 풍부함을 측정하는 데 모두 사용된다"라고 Batalha는 말했다. 이산화탄소 검출을 넘어선 관측은 엄청난 성공을 거두었으며 새로운 망원경에 대한 높은 기대치를 확인시켜 주었다.

3~5.5㎛(마이크로미터)의 이 중요한 스펙트럼 범위에서 밝기의 미묘한 차이를 측정할 수 있는 관측소는 이전에 없었다. 물, 메탄 및 이산화탄소와 같은 중요한 가스의 스펙트럼 라인은 스펙트럼의 이 부분에 있다.
(Nature, accepted; doi: 10.48550/arXiv.2208.11692)
출처: NASA, Universität Bern, Max-Planck-Institut für Astronomie

[더사이언스플러스=문광주 기자] "Green Soul, Beautiful Science"

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