NASA의 제임스 웹 우주 망원경(JWST)이 최근 관측한 바에 따르면 '분홍색 행성'이라는 별명을 가진 외계 행성 주위에 소금으로 구성된 이상한 구름이 존재한다는 사실이 밝혀졌습니다. 이는 우주에서 가장 추운 행성과 유사한 동반 행성 중 하나의 대기 구조에 대한 직접적인 증거를 제공하고 10년 이상 천문계를 곤혹스럽게 만들었던 미스터리를 풀어줍니다. 관련 연구는 노스웨스턴 대학이 주도해 6월 18일자 천문저널(Astronomical Journal)에 게재됐다.
공식적으로 GJ 504 b로 명명된 이 "분홍색 행성"은 2013년에 처음 발견되었으며 지구로부터 약 57광년 떨어진 태양과 같은 별을 공전하고 있습니다. "행성"이라는 이름에도 불구하고, 과학자들은 이 행성이 실제 행성으로 분류되어야 하는지 완전히 확신하지 못합니다. 목성의 질량의 약 25배에 달하는 이 행성은 거대 행성과 갈색 왜성 사이의 경계선에 가깝기 때문에 연구자들은 이 행성을 별 주위를 공전하는 행성과 같은 물체인 "행성질량 동반자"라고 더욱 조심스럽게 부르고 있습니다.
GJ 504 b는 극도로 낮은 온도와 희미한 밝기 때문에 오랫동안 연구하기 어려웠습니다. 지금까지 직접 촬영된 외계 행성 대부분의 온도는 화씨 약 1,000~2,000도(섭씨 약 538~1,093도)인 반면, GJ 504 b는 화씨 약 550도(섭씨 약 290도)에 불과해 오븐에서 빵을 굽는 온도와 비슷합니다. 연구팀은 이 상대적으로 "차가운" 상태는 매우 오래된 연대를 반영한다고 분석했습니다. 거대 행성은 태어날 때 극도로 뜨겁지만 수십억 년에 걸쳐 점차 냉각됩니다. GJ 504 b의 나이는 25억~40억년으로 추정된다.
이번 연구를 주도한 노스웨스턴대 천체물리학센터(CIERA) 박사후 연구원 아니쉬 바부라지는 “분홍색 행성은 지상 장비를 이용해 발견한 가장 차가운 동반성체”라고 지적했다. 지난 10여년 동안 많은 팀이 대기 스펙트럼을 얻기 위해 세계 최대의 지상 망원경을 사용하여 후속 관측을 수행하려고 시도했지만 목표가 너무 희미하기 때문에 모두 실패했습니다. 이에 비해, 고감도 적외선 관측 능력을 갖춘 제임스 웹 우주망원경은 약 2시간의 관측만으로 이 동반성의 대기 스펙트럼을 성공적으로 분리할 수 있었으며, 이러한 '차갑고 어두운 세계'를 연구하는 새로운 핵심 도구가 되었습니다.
이번 관측에서 연구진은 JWST를 사용해 주성과 동반성에 대한 고대비 영상을 수행했고, 첨단 데이터 처리 방법을 사용해 모별의 강한 눈부심을 제거한 뒤, 최종적으로 동반성 자체에서 방출되는 스펙트럼 신호를 추출했다. 과학자들은 빛을 다른 파장으로 분해함으로써 대기 중의 화학적 "지문"을 분석하여 그 안에 존재하는 원소와 분자의 유형을 추론할 수 있습니다. 스펙트럼을 성공적으로 얻은 후 팀은 "분홍색 행성"의 대기 특성이 "이전에 분석된 것과 매우 다르다"는 것을 빨리 깨달았다고 Baburaj는 말했습니다.
스펙트럼 분석 결과, GJ 504 b의 대기에는 수증기, 메탄, 이산화탄소, 암모니아 및 기타 다양한 분자 성분이 포함되어 있는 것으로 나타났습니다. 그러나 연구팀은 이러한 관측 결과를 기존 대기 모델과 비교했을 때 처음에는 비현실적인 극한 조건이 도입되었을 때 데이터를 거의 일치시킬 수 없었으며 이는 분명히 물리학의 상식과 모순됩니다. 진정한 혁신은 과학자들이 시뮬레이션에 구름을 추가하기 시작한 후에 나타났습니다. 다양한 유형의 구름을 모델에 도입하고 스펙트럼에 미치는 영향을 하나씩 테스트했을 때 염분 구름 모델은 다른 옵션보다 측정된 데이터와 훨씬 더 잘 일치했습니다.
연구에서는 이러한 소금 구름이 행성 대기의 더 깊은 층을 가려서 결국 JWST가 감지한 스펙트럼 신호가 주로 구름 위나 근처 지역에서 나오도록 하여 분자 흡수 및 산란의 특성을 변화시켰을 수 있다고 지적합니다. Baburaj는 "시뮬레이션에 구름을 추가한 후 결과는 차가운 행성에 대한 우리의 이론적 이해와 일치하기 시작했습니다. 우리는 세 가지 다른 유형의 구름을 시도했는데 소금 구름 방식이 가장 적합했습니다."라고 말했습니다. 염구름의 영향을 고려한 결과 더 깊은 층에 숨겨진 대기 분자의 특성이 적당히 약화되어 마침내 스펙트럼 모델이 물리적으로 합당해졌습니다.
이 연구는 차가운 행성 질량 물체의 대기에 소금 구름이 존재한다는 최초의 직접적인 증거로 여겨지며, 또한 10여 년 전에 과학계가 제시한 일련의 이론적 예측을 검증합니다. 동시에, 관측 결과에 따르면 GJ 504 b는 천문학자들이 집합적으로 "금속"이라고 부르는 수소와 헬륨 이외의 원소인 중원소가 유난히 풍부하다는 사실이 밝혀졌습니다. 이는 GJ 504 b의 형성 과정이 일반 거대 행성의 형성 과정과 다르다는 것을 의미할 수 있습니다. 연구팀은 기존 데이터에 따르면 천체가 행성 원반이 뭉쳐 형성된 '거대 행성'에 더 가까운지, 중력 붕괴로 형성된 작은 별이나 갈색왜성에 더 가까운지 아직 판단할 수 없다. 그 기원에 대한 문제는 여전히 더 깊은 연구가 필요합니다.
연구진은 이번 연구에서 제임스 웹 망원경이 보여준 방법이 더 유사하고 희미하고 차가운 물체를 탐색할 수 있는 새로운 창을 열 것이라고 강조했다. 예를 들어, 목성은 상층 대기를 덮고 있는 두꺼운 암모니아 얼음 구름을 가지고 있지만 기존 장비로는 여전히 GJ 504 b와 비슷한 수준의 세부 묘사로 이러한 구름 구조를 관찰할 수 없습니다. 오늘날 GJ 504 b 대기에서 소금 구름을 성공적으로 탐지한 것은 천문학자들이 자세히 연구할 수 있는 차가운 세계의 유형을 꾸준히 확장하고 있음을 보여주며, 이는 태양계 내부와 외부의 구름과 대기 구조에 대한 향후 탐사에 중요한 참고 자료를 제공합니다.
Baburaj는 대기 모델 구축 및 수정에 중요한 영향을 미치는 차가운 행성 질량 물체의 스펙트럼을 해석하는 데 소금 구름이 "중요한 역할"을 수행하는 것으로 밝혀진 것은 이번이 처음이라고 지적했습니다. 그는 "이것은 중요한 알림입니다. 시뮬레이션에서 구름의 존재와 영향을 보다 체계적으로 고려해야 한다는 것입니다."라고 상기시켰습니다. JWST가 계속해서 고대비 이미징과 분광 관측을 수행함에 따라 과학자들은 GJ 504 b와 같은 더 차갑고 어두운 외계 동반체가 심층적으로 연구되어 인류가 우주의 다양한 행성과 항성 세계를 더 포괄적으로 이해하는 데 도움이 될 것으로 기대합니다.