JWST는 행성의 뜨거운 대기를 놀라운 3D로 포착합니다.

메릴랜드 대학과 코넬 대학의 연구원들이 주도한 이번 연구는 지구에서 400광년 떨어진 곳에 위치한 “초고온 목성”으로 분류되는 거대한 가스 거인 WASP-18b의 온도를 차트로 표시합니다. 팀은 분광학 일식 매핑이라고도 하는 3D 일식 매핑이라는 방법을 적용했는데, 이 기술이 전체 3D 온도 지도를 구축하는 데 처음으로 사용된 것입니다. 이 작업은 NASA의 제임스 웹 우주 망원경(JWST)의 매우 민감한 관측을 사용하여 2023년에 그룹이 발표한 2D 일식 지도에서 확장됩니다.

“이 기술은 위도, 경도, 고도 등 세 가지 차원을 동시에 조사할 수 있는 유일한 기술입니다.”라고 UMD의 천문학 조교수이자 논문 공동 저자인 Megan Weiner Mansfield가 말했습니다. “이것은 우리가 천체를 연구하는 데 필요한 것보다 더 높은 수준의 세부 정보를 제공합니다.”

이 접근 방식을 통해 과학자들은 한때 지상 망원경이 목성의 대적점과 줄무늬 구름을 기록했던 것처럼 JWST로 관찰할 수 있는 많은 외계 행성의 대기 차이를 차트로 작성할 수 있습니다.

“일식 매핑을 사용하면 호스트 별이 너무 밝아서 직접 볼 수 없는 외계 행성의 이미지를 얻을 수 있습니다.”라고 코넬 대학 천문학과의 박사후 연구원인 Ryan Challener가 말했습니다. “이 망원경과 이 새로운 기술을 통해 우리는 태양계 이웃과 동일한 선상에 있는 외계 행성을 이해하기 시작할 수 있습니다.”

외계행성을 발견하는 것은 일반적으로 별보다 훨씬 어둡고 종종 전체 빛의 1% 미만을 기여하기 때문에 어렵습니다. 일식 매핑은 행성이 별 뒤로 움직일 때 빛의 작은 변화를 측정하여 다른 영역을 교대로 숨기고 드러냅니다. 이러한 작은 밝기 변화를 지구상의 특정 위치에 연결하고 이를 여러 색상으로 분석함으로써 과학자들은 위도, 경도 및 고도에 걸쳐 온도를 재구성할 수 있습니다.

WASP-18b는 목성 10배 정도의 질량을 갖고 있으며 단 23시간 만에 궤도를 완료하고 화씨 5,000도 근처의 온도에 도달하기 때문에 이 테스트에 매우 적합합니다. 이러한 속성은 새로운 매핑 방법에 대해 비교적 강력한 신호를 제공합니다.

팀의 초기 2D 지도는 단일 색상의 빛을 사용했습니다. 3D 버전의 경우 NIRISS(Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph)의 동일한 JWST 데이터를 다양한 파장에 걸쳐 재분석했습니다. 각 색상은 WASP-18b 대기의 다양한 층을 조사하며 특정 온도와 고도에 해당합니다. 이러한 레이어를 결합하면 상세한 3차원 온도 구조가 생성됩니다.

Challener는 “물이 흡수하는 파장에서 지도를 만들면 대기의 물 데크를 볼 수 있는 반면, 물이 흡수하지 않는 파장은 더 깊은 곳을 탐색하게 됩니다.”라고 Challener는 설명했습니다. “이것을 합치면 이 대기의 온도에 대한 3D 지도를 얻을 수 있습니다.”

3D 분석은 행성이 조석 고정되어 있기 때문에 항상 별을 향하고 있는 행성의 영구 주간 면에서 분광학적으로 구별되는 영역을 식별합니다. 원형 열점은 별의 빛이 가장 직접적으로 닿는 곳에 위치하며, 바람이 너무 약해 열을 효율적으로 퍼뜨리는 것처럼 보입니다. 더 차가운 고리가 행성 가장자리 근처의 뜨거운 중심을 둘러싸고 있습니다. 측정 결과는 또한 행성 평균과 비교하여 핫스팟 내의 수증기가 감소한 것으로 나타났습니다.

Weiner Mansfield는 “우리는 인구 수준에서 이런 일이 일어나는 것을 보았습니다. 물이 있는 더 차가운 행성과 물이 없는 더 뜨거운 행성을 볼 수 있습니다”라고 Weiner Mansfield는 설명했습니다. “그러나 이것이 하나의 행성에 걸쳐 부서지는 것을 본 것은 이번이 처음입니다. 그것은 하나의 대기이지만 물이 있는 더 차가운 지역과 물이 부서지는 더 뜨거운 지역을 볼 수 있습니다. 그것은 이론으로 예측되었지만 실제 관찰을 통해 실제로 이것을 보는 것은 정말 흥미롭습니다.”

추가 JWST 관측을 통해 향후 3D 일식 지도의 공간 세부정보를 더욱 선명하게 만들 수 있습니다. Weiner Mansfield는 이 방법이 확인된 6,000개 이상의 외계 행성 중 수백 개에 달하는 많은 “뜨거운 목성”을 연구할 수 있는 새로운 기회를 열어준다고 언급했습니다. 그녀는 또한 WASP-18b와 같은 거대 가스 행성을 넘어 더 작고 바위가 많은 세계에 3D 일식 매핑을 적용하는 것을 목표로 하고 있습니다.

맨스필드는 “다른 행성의 온도를 이렇게 자세하게 보고 지도로 그릴 수 있는 도구를 갖게 된 것은 매우 흥미롭다. 이를 통해 우리는 다른 유형의 외계행성에서도 이 기술을 사용할 수 있게 됐다. 예를 들어 행성에 대기가 없는 경우에도 이 기술을 사용하여 표면 자체의 온도를 지도로 그려 그 구성을 이해할 수 있다”고 말했다. “WASP-18b는 더 예측 가능했지만 이전에는 전혀 예상하지 못했던 것들을 볼 수 있는 기회를 갖게 될 것이라고 믿습니다.”

이 연구는 James Webb Space Telescope의 Transiting Exoplanet Community Early Release Science Program의 지원을 받았습니다.