NASA는 최근 천문학자들이 제임스 웹 우주망원경을 사용하여 태양계 외부의 혜성(3I/ATLAS)의 중적외선 대역에서 처음으로 '화학적 지문'을 획득했다고 발표했습니다. 이는 혜성에 메탄과 이산화탄소와 같은 다량의 휘발성 물질이 포함되어 있다는 사실이 밝혀졌으며, 이는 이 성간 방문객이 태양계와 완전히 다른 행성계에서 태어났을 수 있음을 나타냅니다.
3I/ATLAS는 태양계에서 기원하지 않았지만 다른 별 주위의 행성계에서 이탈한 후 우리 성간 이웃에 침입한 희귀한 성간 혜성입니다. 허블 우주 망원경은 혜성이 지구에서 약 3억 6500만 킬로미터 떨어져 있을 때인 2025년 7월 21일에 이를 이미지화했습니다. Webb 망원경의 최근 관측을 통해 중적외선 대역에서 주변 가스의 상세한 화학적 구성이 추가로 밝혀졌습니다.
연구팀은 웹망원경이 장착된 중적외선 장비인 MIRI(Mid-Infrared Instrument)를 이용해 혜성이 근일점을 통과하고 점차 태양으로부터 멀어지는 모습을 3I/ATLAS로 2회 추적관측했다. 첫 번째 관측은 혜성이 태양으로부터 약 2억 500만 마일(약 3억 2900만 킬로미터) 떨어진 2025년 12월 15일과 16일에 이루어졌습니다. 두 번째 관측은 12월 27일에 수행되었는데, 이때 이 별은 약 2억 3600만 마일(약 3억 7900만 킬로미터) 떨어진 위치로 이동했습니다.
관측 결과에 따르면 인류가 성간 물체에서 메탄가스를 직접 검출한 것은 이번이 처음이다. 메탄은 일반적으로 온도가 약간 상승하면 고체 얼음에서 가스로 빠르게 변하는 휘발성이 높은 물질입니다. 이번에 검출된 메탄은 혜성이 근일점을 통과한 후에 나타났는데, 이는 메탄이 혜성 핵의 표면 아래 오랫동안 매몰되어 물질 외층에 의해 보호되어 초기 가열 단계에서 휘발하여 탈출하지 않았을 수 있음을 나타냅니다.
과학자들은 3I/ATLAS가 태양에 접근할 때 햇빛이 혜성 핵의 더 깊은 층에 있는 얼음을 계속 가열하여 이전에 내부에 싸여 저장되어 있던 메탄이 방출되어 가스 형태로 혜성 주변에서 확산되게 한다고 추측합니다. 놀랍게도 이번에 검출된 메탄은 수증기에 비해 상대적으로 풍부한 것으로 나타났다. 이 화학적 비율은 태양계 혜성 중에서 극히 드물며, 이는 성간 혜성과 지역 혜성 사이의 구성 차이를 강조합니다.
MIRI 스펙트럼에서는 메탄 외에도 3I/ATLAS의 이산화탄소 함량도 비정상적으로 높은 것으로 확인되었습니다. 이 혜성은 일반적인 태양계 혜성보다 물에 비해 훨씬 더 높은 비율의 이산화탄소를 방출했습니다. 연구팀은 두 가지 휘발성 물질인 메탄과 이산화탄소의 특이한 풍부함과 결합하여 이 결합이 초기 태양계에서 우리에게 친숙한 환경과 매우 다른 형성 장소를 가리킨다고 믿습니다.
연구자들은 3I/ATLAS의 높은 메탄과 이산화탄소 함량은 모항성 주위의 원시행성 원반의 온도, 화학적 조성, 복사 조건이 태양계의 그것과 상당히 다르다는 것을 반영할 수 있다고 지적했습니다. 예를 들어, 특정 탄소 기반 분자가 풍부한 추운 지역에서 형성되었을 수도 있고, 형성 후 다른 이동 및 진화 과정을 거쳐 태양계 혜성과는 다른 화학적 특징을 얼음에 "봉인"했을 수도 있습니다.
혜성이 계속해서 태양으로부터 멀어지는 궤도를 돌면서 Webb 망원경은 가스 방출 활동의 상당한 감소, 특히 수증기 생성의 가장 큰 감소를 기록했습니다. 과학 연구팀은 이 현상은 혜성의 물리적 과정에 대한 일반적인 예상과 일치한다고 설명했다. 혜성이 태양에서 멀어질수록 받는 열이 적어지고, 표면과 내부 얼음체의 승화 효율이 떨어지기 때문에 각종 휘발성 물질의 가스 방출 속도도 감소하게 된다는 것이다.
물얼음은 메탄이나 이산화탄소에 비해 휘발성이 낮기 때문에 혜성이 태양으로부터 멀어지고 기온이 계속 떨어지면 수증기 생산량이 가장 먼저 급격하게 감소하게 된다. 이러한 변화는 과학자들에게 혜성 궤도의 여러 위치에서 다양한 휘발성 물질의 방출 동작을 관찰할 수 있는 역동적인 관점을 제공하여 혜성 핵 내의 다양한 수준의 구성과 구조를 제한합니다.
기술 수준에서 이 관찰은 MIRI의 중해상도 분광계(Medium Resolution Spectrometer)에 의존했습니다. 이 장비는 중적외선을 다양한 파장으로 분해하고 "Integral Field Unit" 형태로 작은 하늘 영역의 다양한 위치에서 스펙트럼 데이터를 동시에 수집할 수 있습니다. 이러한 방식으로 과학자들은 혜성 핵을 둘러싼 특정 가스 구성을 식별하고 혼수상태에서 이러한 가스의 공간 분포를 매핑할 수 있습니다.
이미지 분석에 따르면 혼수상태에 있는 얼음 입자가 가열될 때 상당한 양의 물이 방출되기 때문에 수증기가 혜성 핵 자체를 훨씬 넘어 분포되어 있는 것으로 나타났습니다. 대조적으로, 이산화탄소와 메탄은 혜성 핵 근처에 더 집중되어 있으며, 이는 주로 혜성 핵 내부 얼음층의 승화에서 직접적으로 발생함을 나타냅니다. 연구팀은 다양한 유형의 가스의 공간적 분포를 비교함으로써 3I/ATLAS 내부의 각 층에 있는 물질의 소스와 휘발 메커니즘을 보다 정확하게 특성화할 수 있었습니다.
천문학자들은 각 성간 혜성은 외계 행성계의 '화학 샘플'과 같아서 인간이 서로 다른 항성계의 행성 형성 환경을 비교하는 데 도움이 될 수 있다고 지적합니다. 3I/ATLAS의 관측 결과는 우주에는 풍부하고 다양한 행성계와 작은 천체의 화학적 종류가 있으며, 태양계는 그 중 하나일 뿐이라는 것을 보여줍니다. 웹 망원경과 같은 장비가 계속 작동함에 따라 앞으로 더 많은 성간 방문객들의 상세한 관찰을 통해 다른 행성계에 있는 얼음 물체의 형성 조건과 진화 궤적이 더욱 밝혀질 것으로 예상됩니다.
관련 연구 결과가 'The Asphysical Journal Letters'에 'The Volatile Inventory of 3I/ATLAS as Seen with JWST/MIRI'라는 제목으로 게재되었습니다. 저자 팀에는 Matthew Belyakov, Ian Wong, Bryce T. Bolin, M. Ryleigh Davis, Steven J. Bromley, Carey M. Lisse 및 Michael E. Brown이 포함됩니다. 해당 기사는 2026년 4월 8일에 공식적으로 게재되었습니다.