NASA가 가장 최근 설치한 제임스웹 우주망원경은 거의 매일 새로운 우주의 신비를 알리고 있다. 2022년 9월 2일 뉴스에는 제임스 웹이 촬영한 최초의 외계 행성의 모습이 공개됐다.
태양 주위에는 지구를 비롯한 8개의 행성이 돌고 있다. 하늘에 보이는 수천억 개의 항성(별)도 태양처럼 행성을 이끌고 있다. 태양계 밖에 있는 별의 행성을 외계 행성(외계 행성 exoplanet)이라고 한다. 천문학자들은 30년 전부터 외계행성을 찾아내려고 노력해왔으며 2022년 9월 1일 현재까지 3804개의 별에서 총 5157개의 외계행성을 발견했다.
외계행성이 존재한다는 생각은 1917년부터 해왔다. 그러나 당시에는 이를 확인할 기술이 없었다. 1992년 처음으로 외계행성이 발견됐고 이후 과학자들은 Transitphotometry, Dopplerspectroscope와 같은 관측장비를 사용해 외계행성을 다수 찾을 수 있게 됐다. NASA는 2018년 TESS(Transiting Exoplanet Survey Sattlite)라는 우주관측위성을 궤도에 올려 2년간 많은 외계행성을 발견했다.
외계행성은 워낙 멀리 있기도 하지만 작기 때문에 지상에서는 아무리 큰 망원경이라도, 또 가까워도 직접적인 방법으로는 확인할 수 없었다. 최근에는 TESS, 케플러우주망원경, 허블우주망원경, 제임스웹우주망원경 같은 관측선을 이용해 이들을 찾아내고 있다. 외계행성을 탐색하는 방법은 여러 가지가 있다. 본사 블로그에서 <제2의 지구 어디에서 어떻게 발견했는가?>를 참고하자.
천문학자들이 외계행성에 대해 특히 관심이 큰 이유는 그곳에 지구처럼 생명체가 존재할 수 있다고 믿기 때문이다. 태양은 행성을 8개나 가지고 있다. 다른 별들도 다수의 행성을 안고 있을 것이다. 확실히 모르겠지만 천문학자들은 별마다 적어도 하나 이상의 행성이 존재한다고 생각한다. 이 영상은 우리 은하계의 2,000억 개의 별 중 외계 행성이 있는 것으로 알려진 것의 위치를 보여준다. 큰 보라색 반점은 이러한 발견에 기여한 우주 망원경을 보여준다.
지금까지 발견된 5,000개가 넘는 행성 중 1,500개는 목성처럼 기체로 구성된 거대한 행성(Jupiter-like)이었고, 200개는 암석으로 구성된 매우 작은 행성(Rocky), 1,600개는 지구보다 큰 행성(Super-Earth), 나머지는 해왕성 정도로 작은 행성(Neptune-like)이었다. 외계행성의 지름이나 질량을 확실히 알기 어렵다. 가장 최근에 설치된 제임스 웹 우주망원경의 중요한 역할 중 하나는 외계행성을 자세히 관찰하는 것이다.
영상이 확인된 최초의 외계행성은 천체망원경이나 전파망원경으로 관찰하기 어렵다. 우리가 태양을 직접 보기에는 눈이 부셔서 볼 수 없듯이 외계 행성 역시 주성의 밝은 빛에 가려져 관측이 어렵다. 또, 외계 행성으로부터의 미약한 빛은 지구의 대기층으로부터 흡수되어(특히 적외선) 지상의 망원경에 포착되지 않는다.
외계행성이 주성 주변을 공전하고 있으면 주성의 밝기가 변하는 것이 관측된다. 외계행성이 주성 뒤에 있을 때는 가장 밝아 보이고 앞을 지나면(transit) 어두워 보인다. 외계행성의 존재를 확인하는 방법 중 하나다.
제임스 웹 우주망원경을 이용해 최초의 외계행성을 촬영할 계획에서 주연을 맡은 천문학자는 영국 엑시터(Exeter)대 힌클리(Sasha Hinkley) 교수다. 그의 설명에 따르면 제임스 웹 우주 망원경의 각종 관측 장비를 이용해 외계 행성에서 오는 광자(photon)를 측정해 영상을 완성했다고 한다.
가장 먼저 모습이 촬영된 외계행성의 이름은 ‘HIP65426b’다. 이 천체는 2017년 칠레 천문대에 있는 거대 망원경으로 발견했으며 분석 결과 목성보다 질량이 8배나 높았고 지구와 태양 사이의 거리보다 100배나 멀리 주성에서 떨어져 있었다. 이 외계행성의 나이는 1,000~2,000만 년(지구의 나이는 약 46억 년 이상)으로 추정되었다.
외계행성의 모습을 상상한 영상이다. 크기와 모양이 다양하다. 개중에는 목성처럼 가스로 된 가장자리를 가진 것도 있을 것이다.
제임스웹우주망원경이 처음 촬영한 4개의 영상은 ‘HIP65426b’ 하나를 4종의 파장으로 각각 촬영한 것이다. 왼쪽부터 3μm, 4.44μm, 11.4μm, 15.5μm 파장의 사진이다. 행성의 모습이 완전히 둥글지 않은 것은 제임스 웹 우주망원경의 주반사경이 6개의 조각반사경으로 구성됐기 때문이다. 천문학자들은 파장을 바꿔 촬영한 영상을 분석해 그 천체의 화학적 성분과 대기 상태를 추측한다. 이 천체의 대기는 크게 소용돌이치고 있는 것으로 분석됐다.
힌클리를 비롯한 연구진이 HIP65426b를 촬영하는 데 성공한 것은 이 천체가 워낙 대형이고 주성에서 멀리 떨어져 있기 때문이었다. 천문학자들은 앞으로 제임스 웹을 이용해 수많은 외계 행성을 관측할 것이다.
영국 버밍엄 대학의 천문학자 트리아우드(Amaury Triaud) 교수는 SPEULOOS-2C로 불리는 외계 행성에는 생명체가 있을 가능성이 높기 때문에 제임스 웹에서 빨리 관측할 필요가 있다고 말했다(<New Scientist> 2022년 9월 7일 보도). 이 외계행성은 지구보다 30~40% 정도 크고 표면에 물이 존재할 수 있으며 기온이 너무 덥지도 않고 춥지도 않아 주성 주변을 8시간 주기로 공전하며 한쪽 면이 항상 밤일 것이라고 한다. 이 외계행성의 신비를 풀어낼 제임스 웹의 활약이 기대된다. – YS
인용문헌 A. Carter et al. The JWST Early Release Science Program for Direct Observations of Exoplanetary Systems I : High contrastimaging of the exoplanet HIP 65426b from 2-16μm.arXiv : 2208.14990. Submitted August 31, 2022.
B. Miles et al. The JWST Early Release Science Program for Direct Observations of Exoplanetary Systems II : A 1 to 20 micron spectrum of the planetary-mass companion VHS1256-1257 b.arXiv : 2209.00620. Submitted September 1,22.
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