웹 망원경, 고대 슈퍼지구에서 ‘불가능한’ 대기 발견

TOI-561 b로 알려진 이 행성은 질량이 지구보다 약 두 배나 크지만 거의 모든 면에서 극적으로 다릅니다. 그것은 태양으로부터 수성의 거리의 40분의 1에 불과한 거리에서 별에 매우 가까운 궤도를 돌고 있습니다. 비록 그 별이 우리 태양보다 약간 더 작고 온도가 더 낮음에도 불구하고, 이 행성의 빡빡한 궤도는 그것이 단지 10.56시간 만에 1년을 완료한다는 것을 의미합니다. 한쪽 면은 항상 별을 향하고 있어 별은 항상 일광에 잠겨 있습니다.

논문의 두 번째 저자인 카네기 과학 박사후 연구원인 니콜 월락(Nicole Wallack)은 “다른 시스템에 대해 우리가 알고 있는 정보를 바탕으로 천문학자들은 이와 같은 행성이 형성 후 오랫동안 자체 대기를 유지하기에는 너무 작고 뜨겁다고 예측했을 것입니다.”라고 설명했습니다. “그러나 우리의 관찰에 따르면 이 행성은 비교적 두꺼운 가스층으로 둘러싸여 있어 초단주기 행성에 대한 기존 통념이 뒤바뀌는 것으로 나타났습니다.”

우리 태양계에서 작고 강하게 가열된 행성은 역사 초기에 원래의 가스 봉투를 잃는 경향이 있습니다. 그러나 TOI-561 b는 태양보다 훨씬 오래된 별의 궤도를 돌고 있으며, 가혹한 조건에도 불구하고 대기를 유지하고 있는 것으로 보입니다.

저밀도 단서는 특이한 구성을 가리킨다

대기의 존재 가능성은 또 다른 수수께끼를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다. 행성의 밀도가 예상보다 낮습니다.

이번 연구의 주 저자이자 카네기 사이언스의 천문학자 요한나 테스케(Johanna Teske)는 “우리가 슈퍼 퍼프 또는 ‘솜사탕’ 행성이라고 부르는 것은 아니지만 지구와 같은 구성을 가지고 있을 때 예상하는 것보다 밀도가 낮다”고 말했습니다.

새로운 데이터를 분석하기 전에 팀은 행성의 구조만으로 이를 설명할 수 있는지 고려했습니다. 한 가지 아이디어는 TOI-561 b가 지구에 비해 더 작은 철심과 더 가벼운 암석으로 만들어진 맨틀을 가질 수 있다는 것입니다.

Teske는 이 아이디어가 행성의 기원과 일치한다고 덧붙였습니다. “TOI-561 b는 두꺼운 원반으로 알려진 은하계 지역에서 태양보다 두 배나 오래된 철이 부족한 별을 공전한다는 점에서 초단주기 행성과 구별됩니다. 이 별은 우리 태양계의 행성과 매우 다른 화학적 환경에서 형성되었을 것임에 틀림없습니다.”

이는 이 행성이 우주가 훨씬 더 젊었을 때 형성된 세계와 유사할 수 있음을 시사합니다. 하지만 구성만으로는 관찰 내용을 완전히 설명할 수 없습니다.

JWST 온도 데이터로 숨겨진 대기 발견

연구팀은 또한 두꺼운 대기가 행성을 더 크게 보이게 만들어 밀도가 낮아질 수 있다고 제안했습니다. 이를 조사하기 위해 그들은 JWST의 근적외선 분광기(NIRSpec)를 사용하여 근적외선의 밝기를 관찰하여 행성의 주간 온도를 측정했습니다. 이 방법은 행성이 항성 뒤로 이동할 때 시스템의 빛이 어떻게 변하는지 추적하며, TRAPPIST-1 시스템에서 행성을 연구하는 데에도 사용되는 기술입니다.

TOI-561 b에 대기가 없다면 주간 온도는 거의 화씨 4,900도(섭씨 2,700도)에 도달해야 합니다. 대신 측정 결과 온도는 화씨 3,200도(섭씨 1,800도) 정도 더 낮은 것으로 나타났습니다. 여전히 극도로 뜨겁지만, 이 차이는 열이 지구 전체에 재분배되고 있음을 강력하게 시사합니다.

바람, 구름, 그리고 휘발성이 강한 대기

더 낮은 온도를 설명하기 위해 과학자들은 몇 가지 가능성을 탐구했습니다. 녹은 바다 표면은 약간의 열을 이동할 수 있지만 대기가 없으면 밤바다는 단단하게 유지되어 열 전달을 제한할 가능성이 높습니다. 기화된 암석의 얇은 층도 존재할 수 있지만 그 자체로는 충분한 냉각을 제공하지 않습니다.

“우리는 모든 관찰을 설명하기 위해 두껍고 휘발성이 풍부한 대기가 정말로 필요합니다”라고 전 카네기 과학 박사후 연구원이자 영국 버밍엄 대학교의 공동 저자인 Anjali Piette가 말했습니다. “강한 바람은 열을 밤으로 전달하여 낮을 식힐 것입니다. 수증기와 같은 가스는 대기를 통과하기 전에 표면에서 방출되는 근적외선의 일부 파장을 흡수합니다. (망원경이 감지하는 빛의 양이 적기 때문에 행성은 더 추워 보일 것입니다.) 별빛을 반사하여 대기를 냉각시키는 밝은 규산염 구름이 있을 수도 있습니다.”

비록 증거가 대기에 대해 강력하게 지적하고 있지만 이는 중요한 질문을 제기합니다. 그렇게 강렬한 방사선에 노출된 행성이 어떻게 가스를 보유할 수 있습니까? 일부 물질이 우주로 탈출할 가능성이 높지만 예상만큼 빠르지는 않을 수도 있습니다.

재활용 분위기를 지닌 “Wet Lava Ball”

한 가지 설명은 행성의 녹은 내부와 대기 사이의 균형입니다.

“우리는 마그마 바다와 대기 사이에 평형이 있다고 생각합니다. 동시에 가스가 행성에서 나와 대기에 공급되는 동시에 마그마 바다는 가스를 다시 내부로 빨아들이고 있습니다.”라고 카네기가 주도하는 대기 실증 이론 및 실험 연구(AEThER) 프로젝트 팀의 일원이자 네덜란드 흐로닝언 대학의 공동 저자인 Tim Lichtenberg가 말했습니다. “관측 결과를 설명하려면 이 행성은 지구보다 훨씬 더 휘발성이 풍부해야 합니다. 마치 젖은 용암 덩어리와 같습니다.”

Teske는 이 발견이 답변하는 것만큼 많은 질문을 제기한다고 강조했습니다. “정말 흥미로운 점은 이 새로운 데이터 세트가 답변하는 것보다 훨씬 더 많은 질문을 열어준다는 것입니다.”

JWST 관찰은 외계 행성에 대한 새로운 질문을 열어줍니다

이 결과는 행성이 거의 4개의 궤도를 완료하는 동안 37시간 이상 시스템을 모니터링한 JWST의 일반 관측자 프로그램 3860에서 나온 것입니다. 연구원들은 이제 전체 데이터 세트를 분석하여 지구 전체의 온도 패턴을 매핑하고 대기 구성을 더 잘 이해하고 있습니다.

이 작업은 망원경의 초기 개발로 거슬러 올라가 여러 관측 주기를 통해 확장되는 JWST와 Carnegie Science의 오랜 전통을 이어갑니다. JWST가 과학 작업을 시작한 이후 카네기 연구원들은 외계 행성, 은하 및 기타 우주 현상을 연구하는 수많은 팀을 이끌었습니다.

지구행성연구소(Earth and Planets Laboratory) 소장 마이클 월터(Michael Walter)는 “이러한 JWST 기반의 혁신은 외계 행성의 특성이 행성의 진화와 역학에 의해 어떻게 형성되는지 이해하는 데 있어 우리의 오랜 강점을 직접적으로 활용합니다.”라고 말했습니다. “더 흥미로운 결과가 곧 나올 것이며 우리는 앞으로 카네기가 주도하는 JWST 과학의 새로운 물결을 맞이할 준비가 되어 있습니다.”