요약:
천문학자들은 NASA의 제임스 웹 우주 망원경을 사용하여 처음으로 멀리 떨어져 있는 거대한 외계 행성 대기 가장자리의 공간 분포를 전례 없이 자세하게 지도화했습니다. 관찰에 따르면 WASP-17b라고 명명된 이 행성의 대기는 행성 전체에 고르게 분포되어 있지 않고 지역에 따라 뚜렷한 모양 차이를 보이는 것으로 나타났습니다. 그 중, 행성의 저녁 쪽의 대기는 바깥쪽으로 더 멀리 확장되어 아침 쪽보다 기온이 상당히 높습니다.
이번 연구는 미국 코넬대학교와 영국 브리스톨대학교 연구진이 공동으로 진행한 결과로, 그 결과는 2026년 10월 14일자 잡지 '네이처 천문학(Nature Astronomy)'에 게재됐다. 연구팀은 '투과끈'이라는 신기술을 이용해 별 앞을 지날 때 행성 대기 가장자리를 통과하는 별빛을 분석해 과거 서로 다른 위치로 병합되던 대기 정보를 분리했다. 이번 결과는 WASP-17b 대기의 비대칭 구조를 밝힐 뿐만 아니라, 미래에 먼 행성의 기상 지도를 그릴 수 있는 새로운 길을 열어준다.
WASP-17b는 지구에서 약 1,300광년 떨어져 있으며 천문학자들이 '뜨거운 목성'이라고 부르는 유형입니다. 이러한 행성은 일반적으로 부피가 큰 가스 거성이지만 태양계의 목성과는 달리 모항성에 매우 가깝게 공전하므로 강렬한 항성 방사선에 의해 가열됩니다.
특히 WASP-17b의 크기가 눈길을 끕니다. 지름은 목성의 거의 두 배이지만, 질량은 목성의 절반 정도에 불과합니다. 극도로 팽창된 대기로 인해 행성의 평균 대기 온도는 섭씨 약 1,500도입니다. 모항성을 공전하는 데는 지구 시간으로 약 3.7일이 걸립니다. 극단적인 궤도 환경으로 인해 이 행성의 대기는 태양계 행성의 대기와 완전히 다르게 보입니다.
이 행성에는 또 다른 특별한 특징이 있습니다. 조석 잠금 효과의 영향을 받아 항상 모항성을 향해 같은 면을 향하고 있다는 것입니다. 따라서 행성의 절반은 별에 의해 영구적으로 빛나고 나머지 절반은 항상 어둠 속에 있습니다. 행성 자체는 지구처럼 완전한 낮-밤 주기를 거치지는 않지만, 대기는 여전히 강한 바람을 통해 낮에서 밤으로 열을 전달할 수 있습니다.
연구원들은 이러한 열 수송이 이른 아침과 저녁 지역 사이의 행성 대기에 상당한 차이를 만든다는 사실을 발견했습니다. 낮과 밤의 교차점에 위치한 저녁 쪽은 낮 쪽의 열기류 영향으로 기온이 상당히 높아지며, 대기도 바깥쪽으로 팽창한다. 반면, 아침 쪽의 대기는 서늘한 밤 지역을 통과하면서 더욱 시원해지며 전체적으로 수축됩니다.
연구팀의 측정에 따르면 WASP-17b의 아침 쪽 기온은 섭씨 약 590도, 저녁 쪽의 기온은 약 1250도에 이른다. 둘 사이의 차이는 섭씨 660도, 즉 화씨 1200도 정도입니다. 저녁 쪽의 대기는 아침 쪽의 대기보다 약 1.8배 정도 바깥쪽으로 확장됩니다.
이 차이는 행성의 전체적인 윤곽만 보면 쉽게 간과됩니다. 과거에 천문학자들은 별 앞을 지나는 외계행성으로 인해 발생하는 빛의 변화를 분석할 때 일반적으로 행성 주위의 대기 가장자리를 균일한 반경을 가진 고리로 추정한 다음 전체 고리에 걸쳐 스펙트럼 신호를 결합했습니다. 이는 행성 대기의 구성을 효과적으로 분석하지만 지역 간 온도와 구조의 차이를 가릴 수 있습니다.
이 연구에 사용된 새로운 방법은 이러한 접근 방식을 바꿉니다. 행성 대기의 가장자리가 모든 곳에서 동일한 반경을 갖는다고 가정하는 대신, 연구자들은 행성의 중심에서 대기의 바깥 가장자리까지의 거리를 개별적으로 측정하여 다양한 방향에서 대기의 모양을 재구성하려고 합니다.
브리스톨 대학교의 천체물리학자 David Grant와 Hannah Wakeford가 개발한 이 기술을 연구원들은 대중교통 매핑 기술이라고도 알려진 '전송 스트링'이라고 부릅니다. 이 방법은 행성이 별 앞을 지나갈 때 빛의 변화를 이용하여 대기 가장자리의 여러 지역에서 나오는 신호를 분석합니다.
외계 행성이 모항성 앞을 지나갈 때, 별에서 방출된 빛의 일부가 행성의 외부 대기를 통과한 다음 지구에 도달합니다. 대기 중의 다양한 가스 분자는 특정 파장의 빛을 흡수합니다. 따라서 연구자들은 다양한 파장에서 별빛의 변화를 분석하여 대기에 어떤 물질이 포함되어 있는지, 이러한 물질이 다른 위치에 어떻게 분포되어 있는지 추론할 수 있습니다.
동시에 대기가 어딘가 더 뜨거우면 가스의 팽창으로 인해 가스가 바깥쪽으로 더 멀리 확장됩니다. 이러한 변화를 측정함으로써 연구자들은 전체 고리의 평균을 구하는 것이 아니라 다양한 방향에서 행성 대기의 실제 범위를 결정할 수 있습니다.
연구팀은 2023년 3월 제임스 웹 우주망원경에서 얻은 관측 데이터를 활용해 분석을 진행했습니다. 관측에는 가시광선 근처에서 중적외선까지 다양한 파장 대역을 포괄하는 세 가지 장비가 사용되었습니다. 분석을 완료하기 위해 연구진은 24개 밴드의 데이터를 별도로 처리해야 한다. 각 밴드의 피팅 계산에는 많은 양의 컴퓨팅 리소스가 필요합니다. 단일 대역을 분석하려면 약 40개의 컴퓨팅 코어가 2주 동안 지속적으로 실행되어야 합니다.
복잡한 데이터 처리 끝에 연구팀은 마침내 행성 대기 가장자리의 다양한 각도에서 스펙트럼 정보를 획득하고 고르지 못한 공간 구조를 재구성했습니다.
결과는 행성의 적도 근처에 강력한 대기 제트가 있어 영구적으로 빛을 받는 쪽에서 끊임없이 어둠 속에 있는 반대쪽으로 열을 전달한다는 것을 보여줍니다. 대기 순환 방향과 행성의 자전으로 인해 저녁 쪽은 낮 쪽의 열을 더 많이 유지하므로 아침 쪽보다 더 뜨겁고 더 팽창합니다.
이러한 발견은 이론적 계산과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 연구자들이 이전에 예측한 것과 매우 일치한다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 연구팀은 당초 WASP-17b와 같은 뜨거운 목성은 아침과 저녁 사이에 상당한 온도차가 있을 것으로 예상했고, 이번 관찰을 통해 이러한 판단이 확증되었습니다.
코넬 대학의 연구 책임자인 릴리 앨더슨(Lily Alderson)은 이 결과는 외계 행성의 대기가 실제로 복잡한 공간 구조를 가진 3차원 시스템이지 평균 온도나 단일 스펙트럼으로 설명할 수 있는 균일한 가스층이 아니라는 것을 증명한다고 말했습니다. 관찰을 통해 이론적 예측을 직접 검증하는 것은 결론을 도출하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션에만 의존하는 것과 완전히 다른 문제입니다.
연구원들은 또한 행성 대기의 수증기와 이산화탄소도 분석했습니다. 결과는 두 가스가 일반적으로 이전 컴퓨터 모델과 일치하여 행성 대기 가장자리에 고르게 분포되어 있음을 보여줍니다. 그러나 저녁이 되는 쪽의 대기는 더 확장되고 가스에 의해 생성되는 스펙트럼 신호가 더 강하기 때문에 연구자들이 이 쪽의 관련 물질의 함량을 측정하기가 더 쉽습니다.
반면 구름 분포에는 여전히 불확실성이 존재합니다. 여러 모델에서는 구름의 위치에 대해 서로 다른 설명을 제시했습니다. 한 모델은 구름이 주로 시원한 아침 쪽에 나타날 수 있는 반면, 극지방에서 저녁 쪽에 이르는 지역에는 상대적으로 구름이 없다고 믿습니다. 다른 모델은 구름의 특정 특성을 명확하게 결정할 수 없습니다.
연구원들은 WASP-17b의 여러 지역의 온도가 규산염 구름과 염분 구름이 형성될 수 있는 온도 범위에 걸쳐 있다는 점을 지적했습니다. 따라서 지구의 여러 지역에 다양한 유형의 구름이 존재할 수 있습니다. 이러한 구름의 구성과 공간 분포를 더 자세히 파악하려면 앞으로 더욱 정교한 중적외선 관측이 필요할 것입니다.
또한 연구팀은 현재 분석의 일부에서 행성의 북반구와 남반구가 대략 대칭적인 구조를 가지고 있다고 가정하고 있는데, 이는 다른 외계 행성에는 적용되지 않을 수 있습니다. 이용 가능한 관측의 파장 범위는 대기 가장자리의 미묘한 변화를 가릴 수도 있습니다. 따라서 이번 연구가 중요한 진전을 이루었음에도 불구하고 과학자들은 행성의 대기 모델을 개선하기 위해 여전히 더 많은 관측이 필요합니다.
연구원들은 이 연구의 진정한 의미는 행성의 대기가 충분히 대칭적이지 않다는 사실을 발견하는 것뿐만 아니라 천문학자들이 먼 행성의 다양한 지역에서 지역 환경을 연구할 수 있는 능력을 갖추기 시작했다는 것을 증명하는 것이라고 믿습니다.
지금까지 천문학자들은 6,000개가 넘는 외계 행성을 확인했지만, 인간은 여전히 대부분의 대기에 대해 제한된 평균 정보만 얻을 수 있습니다. 가장 진보된 망원경을 사용하더라도 연구자들이 먼 세계의 표면이나 구름을 직접 이미지화하는 것은 어렵기 때문에 물리적 특성은 스펙트럼과 밝기 변화를 통해서만 간접적으로 유추할 수 있는 경우가 많습니다.
새로운 전송 스트링 기술은 행성 대기 가장자리의 여러 위치에서 신호를 분리할 수 있으므로 연구자들은 적도에서 극지방까지, 그리고 아침부터 저녁까지 온도와 화학적 구성의 변화를 더 자세히 연구할 수 있습니다. 이는 미래에 과학자들이 행성의 평균 대기 특성을 측정하는 것에서 보다 상세한 3차원 대기 구조를 매핑하는 것으로 점차 전환할 것으로 예상된다는 것을 의미합니다.
연구팀은 이 기술이 더 많은 외계 행성에 적용됨에 따라 천문학자들이 기류 구조, 국지적 온도 변화, 다양한 위도에서의 구름 분포를 점차적으로 식별할 수 있으며, 향후 먼 행성에서 발생하는 대규모 폭풍을 연구할 수도 있을 것이라고 밝혔습니다.
지구에서 1,300광년 떨어진 WASP-17b의 경우, 이번 관측에서는 복잡한 대기 시스템의 일부만 드러났습니다. 그러나 연구자들은 이 먼 세계에 직접 접근하지 않고도 별의 빛이 행성의 대기를 통과할 때 남겨진 미묘한 변화를 이용하여 내부의 보이지 않는 기상 구조를 재구성할 수 있음을 보여주었습니다. 이러한 진전은 외계 행성의 기후, 순환 및 대기 진화에 대한 향후 연구를 위한 새로운 관측 도구를 제공합니다.
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