제임스웹 우주망원경(JWST)이 지구에서 200광년 떨어져 있는 해왕성보다 큰 가스 외계행성인 'WASP-107b'의 대기에서 수증기와 이산화황, 모래로 이루어진 구름을 포착했다.

벨기에 루뱅대(KU Leuven) 천문학연구소 린 데신 교수가 이끄는 국제연구팀은 과학 저널 '네이처'(Nature)에서 제임스웹 망원경에 탑재된 중적외선 장치(MIRI)의 관측 데이터를 분석, 다양한 물질이 역동적 움직임을 보이는 WASP-107b의 대기에서 수증기와 이산화황뿐만 아니라 규산염 모래 구름까지 발견했다고 밝혔다.

WASP-107b는 처녀자리에 있는 별 'WASP-107' 주위를 도는 외계행성으로 질량은 지구의 30.5배로 해왕성과 비슷하지만, 밀도가 낮아 크기는 목성에 가까운 것으로 알려져 있다. 2017년 발견된 WASP-107은 온도가 약 5천℃로 다소 붉은색을 띤 K형 항성이며, WASP-107b는 0.055AU(약 825만㎞) 떨어진 궤도에서 이 별을 5.7일에 한 바퀴씩 돌고 있다.

▲ 외계 행성 'WASP-107b'와 중심별 상상도.

연구팀은 WASP-107b는 태양계 내의 거대 가스 행성들보다 밀도가 낮아 관측 장비로 목성 대기를 볼 때보다 약 50배 정도 더 깊이 들여다볼 수 있다고 말했다.

연구팀은 이 연구에서 제임스웹 우주망원경에 탑재된 중적외선 장치(MIRI)의 저해상도 분광기(LRS)에 포착된 WASP-107b 대기의 투과 스펙트럼을 분석, 수증기와 이산화황, 규산염(모래) 구름의 증거를 발견했다. 하지만 메탄의 흔적은 없었다.

대기 성분 측정은 먼저 중앙 별의 빛을 측정해 기준 스펙트럼을 정하는 것으로 시작된다. 외계행성이 별 앞을 통과해 지나가면 별빛이 부분적으로 가려지고 별빛 중 일부는 외계행성 대기를 통과한다. 과학자들은 외계행성이 별 앞을 통과하는 동안 측정되는 스펙트럼과 기준 스펙트럼을 비교하는 방법으로 외계행성 대기 성분을 분석한다.

연구팀은 지난 1월 19~20일 JWST 중적외선 장치가 관측한 4.61~11.83㎛ 파장의 데이터에 허블우주망원경(HST)이 2017년 6월 5~6일 관측한 1.1~1.7㎛ 파장의 데이터를 결합해 분석했다.

▲ 연구팀은 JWST 중적외선 장치(MIRI)의 저해상도 분광기(LRS)에 포착된 WASP-107b 대기의 투과 스펙트럼을 분석, 수증기, 이산화황, 규산염(모래) 구름 증거를 발견했다. 빨간색 음영은 수증기,, 파란색은 이산화황, 노란색은 규산염을 나타낸다.

그 결과 0.1~12㎛ 파장대 전체에서 규산염(모래) 구름이 포착됐고, 1~3㎛와 5~7㎛ 파장에서 수증기, 7~9.5㎛ 파장에서 이산화황이 각각 포착됐다.

하지만 메탄은 없는 것으로 분석됐다. 이는 대기 내부가 따뜻할 가능성이 있음을 암시하는 것으로, WASP-107b 대기의 열에너지 움직임을 엿볼 수 있는 흥미로운 단서를 제공하는 것이라고 연구팀은 설명했다.

또 이산화황과 수증기의 스펙트럼 특징은 WASP-107b 대기에 구름이 없을 경우에 비해 신호가 현저히 낮았다. 이는 높은 고도의 구름이 대기 중의 수증기와 이산화황을 부분적으로 가리고 있음을 시사하는 것으로 분석됐다.

지구 대기의 경우 높은 고도에서 물이 얼어 구름이 형성되는 것처럼 온도가 500~1천℃에 이르는 가스 행성 대기에서는 높은 곳에서 규산염 입자가 얼어붙어 구름을 만들고 비로 내리기도 한다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 다른 외계 행성 대기에도 구름이 존재할 것으로 추정되기는 했지만 구름의 화학 성분을 명확히 규명한 것은 이번이 처음이라며 WASP-107b 대기 중 구름은 모래의 주성분인 작은 규산염 입자라고 말했다.

데신 교수는 "외계행성 대기에서 수증기와 이산화황, 모래 구름을 발견한 것은 외계행성 연구의 중요한 이정표이자 행성 형성과 진화에 대한 이해를 높이고 태양계에 대한 새로운 시각을 제시하는 것"이라며 "제임스웹 망원경이 외계행성의 특성 분석에 혁명을 일으키고 놀랍도록 빠르게 통찰력을 제공하고 있다"고 말했다.

◆ 출처 : Nature, Leen Decin et al., 'SO2, silicate clouds, but no CH4 detected in a warm Neptune with JWST MIRI', http://dx.doi.org/10.1038/s41586-023-06849-0

<연합>

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