NASA, 메탄 두른 '골디락스' 거대행성 발견했다… 지구 비슷한 온도의 토성급 외계행성 🪐

먼 호스트 별 주위를 도는 가스 거대 행성에 대한 아티스트의 인상. 펜실베니아 주립대와 제트 추진 연구소의 천문학자들이 주도한 새로운 연구는 NASA의 제임스 웹 우주 망원경을 사용하여 토성 크기 정도의 가스 거대 행성의 대기를 지구와 비슷한 온도로 분석한 결과 메탄이 풍부하다는 사실을 발견했습니다. 출처: NASA

외계행성 이야기를 좋아하신다면 이번 소식, 꽤 흥미로우실 거예요. NASA의 제임스 웹 우주망원경(JWST)이 아주 희귀한 외계행성을 찾아냈거든요. 펄펄 끓는 '뜨거운 목성'과 꽁꽁 언 토성, 그 극단의 중간 어딘가에 자리 잡은 행성이라 일명 '골디락스' 거대행성으로 불립니다. 게다가 대기에는 메탄까지 두르고 있다네요.

TOI-199b가 특별한 이유

이번 주인공은 'TOI-199b'라는 외계행성입니다. 크기는 우리 태양계의 토성만 한 가스 거대행성이에요. 그런데 진짜 놀라운 건 따로 있습니다. 바로 온도가 지구와 의외로 가깝다는 점이에요.

보통 거대행성은 극단적인 환경에 놓여 있습니다. 우리 태양계만 봐도 목성과 토성은 태양에서 멀리 떨어져 꽁꽁 얼어 있죠. 반대로 다른 별 주위에서 발견되는 거대행성 상당수는 '뜨거운 목성(hot Jupiter)'이라 불리는데, 별에 바짝 붙어 도느라 수천 도까지 달궈집니다. 한쪽은 냉동실, 한쪽은 용광로인 셈이죠.

그런데 TOI-199b는 이 둘 사이 절묘한 지점에 있습니다. 과학자들은 이를 **'온화한 거대행성(temperate giant planet)'**으로 분류하는데, 지금까지 알려진 게 손에 꼽을 정도로 희귀해요. 연구를 이끈 펜실베이니아 주립대(펜스테이트)의 렌유 후 교수는 "1992년 펜스테이트 연구팀이 첫 외계행성을 발견한 이래 수천 개를 찾았지만, 거대하고 온화한 외계행성은 극소수에 불과하다"며 "그중 하나의 대기를 상세히 연구한 건 이번이 처음"이라고 의미를 설명했습니다.

지구와 비슷한 온도라니, 얼마나?

TOI-199b는 지구에서 330광년 넘게 떨어진 별을 약 100일 주기로 돕니다. 추정 온도는 화씨 약 175도, 섭씨로는 약 79도 정도예요.

물론 사람 기준으로는 여전히 엄청 뜨겁습니다. 하지만 수천 도에 이르는 뜨거운 목성과 비교하면 한참 온화한 거죠. 연구진은 재밌는 비유를 들었어요. 햇볕에 세워둔 자동차 내부 온도가 이 정도까지 올라갈 수 있다고요. 우주적 스케일에서 보면 "차 안 정도의 온도"인 외계 거대행성이라니, 묘하게 친근하죠.

어떻게 대기 성분까지 알아냈을까?

여기서 궁금해집니다. 330광년이나 떨어진 행성의 대기 성분을 어떻게 알아냈을까요? 비결은 **투과 분광법(transmission spectroscopy)**이라는 기술입니다.

원리는 이래요. 행성이 별 앞을 지나갈 때(이를 '트랜싯'이라고 해요), 별빛 일부가 행성의 대기를 통과합니다. 이때 별빛이 대기 속 원소·분자와 부딪히는데, 특정 원소는 특정 파장의 빛만 쏙쏙 흡수해요. JWST는 마치 프리즘이 흰빛을 무지개로 쪼개듯 별빛을 파장별로 분리하는데, 그러면 어떤 파장이 빠졌는지를 보고 대기에 무슨 성분이 있는지 일종의 **'지문'**처럼 읽어낼 수 있는 거죠.

JPL의 아론 벨로-아루페 연구원(논문 제1저자)의 설명이 깔끔합니다. "특정 원소가 특정 파장의 빛을 흡수하면서, JWST가 감지하는 빛 스펙트럼에 대기 조성을 반영하는 지문을 남긴다."

연구진은 먼저 약 20시간 동안 별빛을 관측해 기준값을 잡았습니다. 그리고 행성이 별 앞을 지나는 약 7시간의 트랜싯 동안의 스펙트럼과 비교했어요. 참고로 이 7시간이라는 트랜싯 시간은 뜨거운 목성의 짧은 트랜싯보다 훨씬 긴 편이라고 합니다.

메탄 확인, 그리고 암모니아·이산화탄소 단서까지

비교 결과, 대기가 메탄이 흡수하는 파장의 별빛을 가로막는다는 사실이 드러났습니다. 메탄의 존재가 확인된 거죠. 벨로-아루페 연구원은 "온화한 가스 거대행성 대기 모델은 메탄이 포함될 것이라 예측했는데, 우리 이론이 정확했다는 확인을 얻어 다행"이라고 말했어요. 예측이 실제 관측으로 입증된 순간인 셈입니다.

여기에 더해 암모니아와 이산화탄소가 존재할 가능성을 시사하는 단서도 함께 포착됐습니다.

그래서 왜 중요한데?

이 발견은 단순히 "특이한 행성 하나 찾았다"로 끝나지 않습니다. 후 교수는 "추가 관측을 하면 각 기체의 상대적 함량까지 알아낼 수 있다"며, 이렇게 온화한 가스 거대행성 대기의 완전한 그림을 그리면 행성과 대기가 어떻게 형성되고 진화하는지를 더 잘 이해할 수 있다고 설명했습니다. 흥미롭게도 여기엔 지구의 대기 과정에 대한 단서까지 포함될 수 있다고 해요.

또 이번이 온화한 거대행성 대기를 다룬 첫 연구로 성공한 만큼, 비슷한 행성들을 더 연구할 자신감도 얻었다고 합니다. 이 행성이 유별난 예외인지, 아니면 이런 유형이 공통된 특징을 갖는지 앞으로 밝혀나가겠다는 거죠.

정리하며

요약하면, NASA의 제임스 웹 망원경이 냉동실(언 토성)과 용광로(뜨거운 목성)의 중간 지점에 놓인 희귀한 '골디락스' 거대행성 TOI-199b를 찾아냈고, 그 대기에서 메탄을 확인했습니다. 이런 온화한 거대행성의 대기를 상세히 들여다본 건 인류 역사상 처음이고요. 우주 어딘가, 차 안 정도로 '미지근한' 거대행성이 메탄 구름을 두르고 별을 돌고 있다는 상상. 외계행성 탐사가 점점 더 정교해지고 있다는 게 새삼 느껴지는 연구네요. 해당 논문은 5월 20일 천문학 저널(The Astronomical Journal)에 게재됐습니다.

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