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메탄 방출이 지연된 것도 특이한 현상, 이는 혜성의 외계 행성 시절에 대한 흥미로운 단서

성간 혜성에서 메탄 최초 발견

성간 혜성 3I/ATLAS가 태양계를 통과하는 동안 놀라울 정도로 많은 양의 메탄을 방출했다. 이는 비슷한 조건의 태양계 혜성에서 일반적으로 방출되는 양보다 훨씬 많은 양이다. 제임스 웹 우주망원경의 새로운 관측 결과가 이를 뒷받침한다. 천문학자들은 이번 관측을 통해 성간 천체에서 메탄이 검출된 최초의 사례라고 밝혔다. 또한, 메탄 방출이 지연된 것도 특이한 현상으로, 이는 혜성의 외계 행성 시절에 대한 흥미로운 단서를 제공한다. 

▲ 제임스 웹 우주망원경으로 적외선 스펙트럼 영역에서 촬영한 성간 혜성 3I/ATLAS의 모습. © NASA/ESA/CSA, STScI, M. Belyakov (Caltech), I. Wong (STScI)

현재까지 천문학자들은 태양계를 방문한 성간 천체를 단 세 개만 발견하고 관측했다. 바로 1I/'Oumuamua, 2I/Borisov 혜성, 그리고 2025년에 발견된 3I/ATLAS 혜성이다. 직경이 약 2.6km에 달하는 3I/ATLAS 혜성은 이 세 개의 외계 천체 중 가장 크고 빠르며, 가장 오래된 것으로 추정된다. 혜성은 2025년 10월 29일 태양에 가장 가까이 접근한 후 태양계를 벗어나고 있다.

캘리포니아 공과대학의 매튜 벨랴코프(Matthew Belyakov)와 그의 동료들은 "이러한 성간 천체들은 태양계를 짧게 통과하는 동안 우리에게 작은 외계 천체들의 분포에 대한 통찰력을 제공한다"며, "따라서 3I/ATLAS 혜성의 코마(혜성 주위를 둘러싼 가스와 먼지로 이루어진 외피)의 화학적 성분을 규명하기 위한 노력이 집중적으로 이루어져 왔다"고 설명했다. 혜성 핵 주위의 가스와 먼지가 풍부한 외피는 핵이 가열되면서 휘발성 물질이 방출될 때 형성된다. 천문학자들은 3I/ATLAS에서 이미 수증기, 일산화탄소(CO), 비정상적으로 높은 농도의 이산화탄소(CO2), 메탄올, 시안화수소 등을 검출했다.

3I/ATLAS 또한 메탄 방출

이제 천문학자들은 이 성간 혜성의 또 다른 화학 성분인 메탄(CH4)을 확인했다. 연구팀은 제임스 웹 우주망원경의 MIRI 분광기를 이용해 2025년 12월 16일과 27일에 3I/ATLAS 혜성을 관측했다. 당시 이 성간 혜성은 태양계를 벗어나고 있었으며, 각각 태양으로부터 3억 2900만 킬로미터와 3억 7900만 킬로미터 떨어진 곳에 있었다.

중적외선 영역에서 기록된 분광 데이터는 여러 개의 뚜렷한 메탄 신호를 보여주었다. 연구팀은 "이는 성간 천체에서 메탄을 직접 검출한 최초의 사례"라고 밝혔다. 연구 결과에 따르면, 12월 16일 첫 번째 관측에서 3I/ATLAS는 초당 4.2 x 10²⁶개의 메탄 분자를 방출했다. 벨랴코프 연구팀은 이 수치가 태양계 혜성에서 이전에 측정된 것보다 훨씬 높다고 보고했다. 그러나 2주 후 두 번째 관측에서는 메탄 방출량이 절반으로 감소했다.

예상치 못한 현상

놀라운 점은 메탄이 매우 휘발성이 강한 기체이기 때문에 혜성이 태양에 가장 가까워지고 근일점을 지날 때 대량으로 방출되었어야 한다는 것이다. 그러나 벨랴코프와 그의 동료들이 2025년 8월 25일 제임스 웹 우주망원경으로 관측한 데이터에서 메탄의 스펙트럼 특징을 찾았을 때, 3I/ATLAS 혜성에서 메탄이 검출되기는 했지만, 예상보다 약하게 나타났다.

▲ 성간 혜성 3I/ATLAS의 코마에서 MIRI 분광기가 검출한 메탄의 스펙트럼 특징(빨간색). © Belyakov / The Astrophysical Journal Letters, CC-by 4.0

연구팀은 "8월의 CH4 값은 이후 측정값을 기준으로 예상되는 값보다 거의 한 자릿수 낮다"고 설명했다. 8월에 혜성이 태양에 더 가까워져 표면 온도가 더 높았음에도 불구하고, 혜성 핵에서 방출된 메탄가스의 양은 더 적었다. 천문학자들은 "메탄은 매우 휘발성이 강하고 이산화탄소보다 승화 온도가 훨씬 낮다"며 "따라서 3I/ATLAS 표면의 메탄 얼음은 그 당시 활발하게 가스 방출을 하고 있었어야 한다"고 설명했다.

모행성계에서 이미 초기 온난화가 있었던 것일까?

이것은 어떻게 설명할 수 있을까? 천문학자들에 따르면, 이는 3I/ATLAS가 이전에, 어쩌면 모행성계에서 더 강렬한 가열을 받았음을 시사한다. 이로 인해 혜성 표면의 메탄 얼음 상당 부분이 그 당시에도 이미 가스 방출을 일으켰을 것이다. 벨랴코프와 그의 동료들은 "따라서 원래의 메탄 얼음의 나머지 저장소는 성간 혜성의 더 깊은 층에 존재한다"고 추측한다.

태양의 영향으로 발생한 열이 혜성 핵의 더 깊은 곳까지 천천히 전달되었기 때문에, 이 메탄은 지연되어 가스 방출을 일으켰다. 천문학자들은 "이러한 현상은 메탄보다 훨씬 더 휘발성이 강한 일산화탄소에서도 나타난다"고 보고한다. "12월 측정에서 일산화탄소 생성량은 3I/ATLAS의 근일점에서보다 40배나 높았다." 따라서 이번 새로운 측정 결과는 이 성간 혜성 연구에 또 하나의 중요한 단서를 제공한다.

태양 통과 시 발생한 열이 혜성 핵의 더 깊은 곳까지 천천히 전달되었기 때문에 메탄이 ​​방출되는 데 시간이 걸렸다.

출처: Matthew Belyakov (캘리포니아 공과대학, 패서디나) 외, The Astrophysical Journal Letters, 2026; doi: 10.3847/2041-8213/ae5700

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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