[비즈한국] 제임스 웹 우주 망원경의 첫 관측 분기, Cycle 1의 상세한 계획이 공개되었다. 별과 행성이 태어나고 있는 원시 원반, 우주 끝자락에서 막대한 에너지를 토해내고 있는 블랙홀, 머나먼 우주 끝자락의 별과 은하, 그리고 생명체가 살지도 모르는 외계행성까지. 최근 NASA는 최종 선정된 관측 계획을 아주 상세히 공개했다. 그렇다면 과연 제임스 웹이 보게 될 외계행성은 어떤 곳일까? 실제 공개된 관측 계획을 바탕으로 살펴본다. 

제임스 웹이 살펴보게 될 외계행성은 어떤 곳일까?

#1. 푸른 지옥 HD 189733b

여우자리 방향 63광년. 39.6시간 관측 예정.

우리 지구는 창백한 푸른 점, 파란 행성이다. HD 189733b도 우리 지구처럼 선명한 푸른색을 띤다. 하지만 이곳은 생명과는 거리가 먼 푸른 지옥이라 할 수 있다. 별 HD 189733는 주황색과 붉은색의 두 왜성이 함께 돌고 있는 쌍성이다. 그 중 주황색 별 곁에서 외계행성 HD 189733b이 발견되었다. 이 외계행성은 목성에 비해 질량이 15퍼센트 더 무거운 거대한 가스 행성이다. 중심 별에서 겨우 0.03AU(460만 km) 거리를 두고 바짝 붙어서 궤도를 돌고 있다. 태양과 수성 사이 거리의 10분의 1에 불과하다! 앞서 제임스 웹과 마찬가지로 적외선으로 우주를 관측한 스피처 우주 망원경 관측을 통해, 당시 천문학자들은 이 외계행성이 가장 뜨거울 때 1000도에 육박한다는 것을 확인했다. 사실상 생명을 기대하기 어려운 곳이다. 

그렇다면 펄펄 끓는 행성이 어떻게 지구처럼 푸른빛을 띠게 된 걸까? 지구의 푸른빛은 주로 푸른빛을 산란하는 지구의 하늘과, 푸른빛을 더 많이 반사하는 바다 때문에 만들어진다. 하지만 푸른 지옥 HD 189733b는 조금 다르다. 이곳의 대기에 푸른빛을 더 많이 산란하는 규산염 성분이 잔뜩 채워져 있기 때문으로 추정된다. 규산염, 즉 모래, 유리와 같은 성분이다. 특히 1000도를 넘는 지나치게 뜨거운 온도로 인해 증발한 규산 성분들이 행성의 상층 대기로 올라가면, 다시 온도가 식으면서 비가 되어 내릴 수 있다. 펄펄 끓는 유리가 비처럼 쏟아지는 것이다. 겉으로 봤을 때만 지구처럼 영롱한 푸른빛으로 보일 뿐, 사실상 가장 끔찍한 푸른 지옥이 아닌가! 

천문학자들은 제임스 웹 관측을 통해서 이 외계행성의 하늘에 규산염 성분이 존재하는지를 확인할 예정이다. 그리고 이 외계행성의 대기권에서 어떤 대기 현상이 벌어지고 있는지를 3D 입체 모델로 상세히 구현해서 비교할 예정이다. 

#2. 물이 존재하는 또 다른 지옥 WASP-12b

고물자리 방향 850광년. 44.8시간 관측 예정. 

WASP-12b도 HD 189733b 못지않게 끔찍한 지옥 행성이다. 이곳은 목성에 비해 질량이 약 1.2배 정도 살짝 더 무거운 가스 행성이다. 마찬가지로 중심 별에 너무 바짝 붙어 빠르게 궤도를 돌고 있기 때문에 굉장히 뜨겁게 달궈져 있다. 이곳도 중심 별의 강한 중력으로 항상 같은 면이 별을 바라보는 조석 고정이 되어 있다. 중심 별과 너무 바짝 붙어 강한 중력에 붙잡혀 있어서 약간 찌그러진 럭비 공 모양을 하고 있다. 그리고 별을 바라보는 낮과 항상 별을 등지고 있는 밤의 온도 차이가 크다. 흥미롭게도 천문학자들은 앞서 이 외계행성의 대기에서 수소와 산소의 존재를 확인했다. 이들이 별빛을 바로 받는 뜨거운 영역에서는 모두 깨져버리지만, 온도가 낮은 밤 부분으로 넘어가면 서로 결합하며 물 분자를 만든다는 사실도 발견했다. 

게다가 3000도에 육박하는 뜨거운 온도로 인해 이 외계행성의 대기권에는 철과 마그네슘도  기체 상태로 떠돌고 있다. 앞서 다른 외계행성에서도 이런 금속 기체가 발견된 적은 있지만, 보통 대부분 가장 외곽의 상층 대기에서만 확인되었다. 하지만 이 외계행성은 상층에서 내부에 이르는 아주 두꺼운 대기권에 걸쳐 굉장히 많은 금속 기체를 머금고 있다. 그래서 뜨거운 낮 부분에서 증발한 금속과 물이 밤 쪽으로 넘어가면서 다시 비가 되어 떨어지는 현상을 겪고 있을 것이다. 이곳은 강철비가 내리는 지옥이다. 

천문학자들은 이곳 역시 제임스 웹을 통해 더 세밀하게 대기를 관측해 어떤 기상 현상이 벌어지고 있는지를 검증할 예정이다. 

#3. 마그마 비가 내리는 행성 게자리 55e

게자리 방향 40광년. 15.5시간 관측 예정. 

이곳은 지구보다 8배 정도 질량이 더 무거운 아주 육중한 암석 행성이다. 태양과 비슷한 별을 중심에 두고 있지만, 중심 별에서 굉장히 가까운 거리에서 돌고 있다. 그래서 천문학자들은 지나치게 뜨거운 온도로 인해 표면 암석이 모두 녹아버린 마그마 행성일 것으로 추정한다. 

그런데 앞서 스피처 우주 망원경 관측을 통해 천문학자들은 이상한 점을 발견했다. 이 외계행성도 중심 별에 지나치게 가까워서 조석 고정이 된 상태다. 따라서 당연히 별빛을 바로 받는 쪽의 표면 온도가 가장 뜨거워야 한다. 그런데 실제 관측 결과를 보면, 외계행성 표면에서 가장 뜨거운 곳은 별빛이 바로 내리쬐는 지역에서 굉장히 많이 벗어나 있다. 

이를 설명하는 두 가지 가설이 있다. 우선 하나는 사실 이 마그마 행성도 굉장히 두꺼운 대기권을 갖고 있다는 것이다. 두꺼운 대기권이 있다면 그 안에서 벌어지는 대류와 기상 현상으로 인해 열이 순환할 수 있다. 이 때문에 별빛이 바로 내리쬐는 곳이 아니라 약간 옆으로 치우친 곳에서 가장 뜨거운 온도가 형성될 수 있다. 하지만 이 별은 중심 별에 너무 바짝 붙어 있어서 강력한 항성풍을 온몸에 그대로 맞고 있을 것이다. 따라서 이런 두꺼운 대기권을 온전하게 갖고 있을 거라고는 기대하기 어렵다. 

다른 가설로는 이 외계행성이 단순하게 항상 같은 면만 중심 별을 바라보는 조석 고정이 되어 있는 것이 아니라, 매번 궤도를 두 바퀴 돌 때마다 외계행성 자체가 세 번 자전하는 3:2 공명을 이루고 있다는 것이다. 우리 태양과 수성도 이런 공명을 이루고 있다. 그래서 수성도 태양 주변을 두 바퀴 도는 동안 세 번 자전한다. 이런 식으로 외계행성 자체가 자전도 함께 하고 있다면, 열이 퍼지고 전달되는 데 약간의 시차가 발생한다. 그래서 이 외계행성의 가장 뜨거운 시간은 별이 중천에 떠있는 정오가 아니라 정오가 약간 지난 오후가 될 것이다. 지구에서도 정오보다 오후 2~3시가 살짝 더 더운 것처럼 말이다.

만약 두 번째 가설이 맞다면, 낮에 온도가 더 뜨거울 때 증발한 열이 대기권이 다시 온도가 내려가는 저녁 시간이 되면 응결하면서 비가 되어 내리는 기상 현상을 기대할 수 있다. 게다가 이곳은 지나치게 온도가 높아 암석과 금속이 증발할 수 있다. 따라서 이곳에서 만약 비가 내린다면 마그마 비일 가능성이 높다.

천문학자들은 이번 제임스 웹 관측을 통해 이 지옥 같은 마그마 행성에 두꺼운 대기가 있는지, 아니면 궤도 공명으로 인한 옅은 대기와 마그마 비가 내리고 있는 것인지를 검증할 예정이다. 이를 통해 별 코앞에 바짝 붙어 돌고 있는 암석 행성의 실제 모습을 확인할 것이다. 

#4. 어쩌면 우리의 미래가 펼쳐질지 모르는 TRAPPIST-1

물병자리 방향 40광년. 53.7시간 관측 예정. 

제임스 웹이 불지옥 같은 외계행성만 보는 것은 아니다. 굉장히 높은 확률로 외계 생명체를 기대할 수 있는 곳들도 살펴볼 예정이다. TRAPPIST-1 별은 태양에 비해 훨씬 왜소한 적색왜성이지만 그 주변에서 무려 일곱 개나 되는 외계행성들이 발견되었다. 게다가 그 중에서 d, e, f, g 네 곳은 별 주변에서 적당한 거리를 유지하며 액체 바다를 기대할 수 있는 골디락스존에서 돌고 있다. 

그래서 천문학자들은 이 외계행성들의 대기권 성분을 파악하는 데 집중하고 있다. 제임스 웹의 세밀한 적외선 분광 관측을 통해서, 이 외계행성의 하늘에 산소, 수증기, 이산화탄소 같은 성분이 존재하는지를 확인할 것이다. 특히 산소와 수증기는 굉장히 중요한 생명 활동의 근거가 된다. 이 성분들은 반응성이 너무 좋아 곧바로 다른 성분과 반응하면서 사라지기 쉽다. 만약 외계행성의 대기에서 굉장히 높은 함량의 산소와 수증기가 발견된다면, 이는 반응성이 높아 사라지기 쉬운 성분임에도 꾸준히 산소와 수증기를 만들어 보충해주는 또 다른 매커니즘이 작동하고 있다는 증거가 될 수 있다. 천문학자들이 관심을 가장 많이 갖는 곳인 만큼 제임스 웹의 예정 관측 시간이 무려 50시간을 넘는다. 

제임스 웹의 적외선 관측은 단순히 외계행성의 대기권만 파악하는 것이 아니라, 암석으로 이루어진 행성의 표면 성분도 파악할 수 있다. 외계행성의 대기권이 별빛을 가릴 때, 그 대기권을 통과한 별빛을 분석해서 대기권의 성분을 파악한다. 반면 외계행성의 암석 표면에 반사된 별빛을 분석하면 이번에는 외계행성의 하늘이 아닌 땅의 성분도 파악할 수 있다. 이를 통해 천문학자들은 TRAPPIST-1 별 곁을 도는 일곱 외계행성이 각각 어떤 세계인지, 땅과 하늘의 정확한 상태를 파악할 예정이다. 그토록 기대하던 외계 생명체의 징후를 더 명확하게 포착할 수 있을까?

#이번 관측 계획을 통해 알 수 있는 사실은? 

현재 공개된 제임스 웹 우주 망원경의 관측 계획을 보면 크게 두 가지 중요한 사실을 발견할 수 있다. 첫째, 제임스 웹은 아직은 새로운 외계행성을 추가로 발견하는 역할은 하지 않을 것이다. 일단 지금 계획에 따르면 제임스 웹은 앞서 케플러, 테스, 허블 우주 망원경 등 기존의 망원경들이 발견한 외계행성 중에서 흥미로운 곳들을 더 자세히 추가 관측하는 정도의 역할을 맡고 있다. 처음으로 우주를 관측하는 새내기 망원경이기 때문에, 일단은 선배 망원경들에게서 물려받은 과제를 먼저 해결해야 한다. 물론 이번 첫 관측 분기 Cycle 1이 무사히 끝나고 제임스 웹의 성능이 검증된다면 다음 관측 분기부터는 새로운 외계행성을 추가로 우연히 발견하는 역할도 할 수 있을 것이다. 

그리고 두 번째, 가장 중요한 점은 천문학자들의 연구 과정이 굉장히 투명하게 진행된다는 사실이다. 현재 Cycle 1 관측 계획은 누구나 살펴볼 수 있도록 모두 공개되었다. 각 관측 계획마다 누가 책임자인지, 어떤 천체를 보는지, 총 몇 시간 동안 망원경을 사용할 예정인지, 어떤 장비를 어떻게 사용할 것인지 등 세부 계획까지 다 볼 수 있다. 가끔 NASA와 천문학자들을 비밀 기지 안에 틀어박혀 비밀 연구를 하는 폐쇄적인 집단으로 생각하는 사람들이 있는데, 전혀 그렇지 않다. 21세기 천문학자들은 더더욱 그렇다. 저 넓은 우주를 연구하려면 당장 더 많은 동료들의 관심과 참여가 필요하다. 또 제한된 자원을 가지고 가장 효율적으로 연구하고, 데이터에 조작은 없는지 등을 철저하게 관리하려면, 관측 계획과 연구 데이터를 모두 투명하게 공개할 수밖에 없다. 제임스 웹과 인류의 천문학은 뻥 뚫린 맑은 밤하늘만큼이나 투명하게 진행되고 있다. 

참고 

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2022/first-images-from-nasa-s-webb-space-telescope-coming-soon

https://blogs.nasa.gov/webb/2022/05/09/miris-sharper-view-hints-at-new-possibilities-for-science/

https://www.stsci.edu/jwst/science-execution/program-information.html?id=2084

https://www.stsci.edu/jwst/science-execution/program-information.html?id=2420

https://www.stsci.edu/jwst/science-execution/program-information.html?id=1633

https://www.stsci.edu/jwst/science-execution/program-information.html?id=1729

https://www.nature.com/articles/s41550-021-01592-w

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/nasa-s-james-webb-space-telescope-general-observer-scientific-programs-selected

https://esahubble.org/forscientists/announcements/sci21001/

필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​

지웅배 과학칼럼니스트 galaxy.wb.zi@gmail.com

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