제임스웹 우주망원경으로 외계행성(外界行星) 특별 관측 계획

외계행성에 생명체가 존재하는지는 천문학자들만 아니라 모든 사람의 의문이다. 각국 천문학자들은 NASA의 과학자들과 협력하여 제임스웹 우주망원경으로 외계행성 몇 개를 선정하여 생명체의 존재를 집중적으로 관찰하기 시작했다.

​태양 주위에 지구, 화성, 목성, 해왕성과 같은 몇 개의 행성이 돌고 있듯이 다른 별(항성)에도 행성들이 있을 것이다. 이런 다른 별의 행성을 외계행성(exoplanets)이라 한다. 태양 주변에 8개의 행성이 있다면, 우주 전체에는 얼마나 많은 외계행성이 존재할까?

​지구에서 가장 가까이 있는 별은 남반구 하늘에서 볼 수 있는 켄타우루스자리의 프록시마(Proxima Centaurus)이다. 이 별은 지구와의 거리가 4.2광년이며, 질량이 태양의 약 12.5%인 적색왜성이다. 유감스럽게도 이 별은 지구와 가깝긴 하지만 너무 어두운 별(11등급)이기 때문에 관측이 어렵다.

​지구로부터 20광년 이내 거리에 있는 항성은 지금까지 131개가 발견되어 있으며, 그중 22개는 6.5등급 이상이어서 관측 조건이 좋은 곳이라면 맨눈으로 볼 수 있다. 어두운 별은 거리가 멀지 않아도 관측이 어렵다. 지구와 가까우면서 가장 밝게 보이는 별(-1.46등급)로 유명한 시리우스는 지구로부터 8.6광년 거리에 있다. 그러나 이 별에서는 외계행성이 발견되지 않았다.

​지구와 가까운 별이라 하더라도 거리가 몇 광년이므로, 그 별의 둘레를 도는 외계행성을 지구에서 직접 관측하기는 불가능하다. 그래서 천문학자들은 아득히 먼 성운과 블랙홀 등은 관찰하면서도, 외계행성에 대해서는 20세기 말이 될 때까지 존재조차 확인할 수 없었다.

​천문학자들은 1992년 이후부터 간접적인 방법으로 외계행성의 존재를 확인할 수 있게 되었고, 2024년 중반에 이르자 5,600개나 되는 외계행성을 발견했다. 과학자들은 외계행성에 대한 모습을 상상하여 영상으로 그려보기도 하지만, 어떤 것도 실제 모습은 알지 못한다. 단지 그 외계행성까지의 거리와 질량 정도만 추정할 뿐이다.

​외계행성 본격 관측을 시작한 제임스웹

그동안 천문학자들은 NASA가 2021년에 우주로 올려보낸 제임스웹 망원경까지 이용하여 단시간에 많은 외계행성을 발견했다. 그러나 외계행성의 실제 모습은 너무 멀리 있기 때문에 ‘빛의 점’으로만 보여 알 수 없었다.

​천문학자들은 제임스웹의 특별한 관측장비를 이용하여 간접적인 방법으로 외계행성의 대기에 포함된 물, 이산화탄소, 메탄, 암모니아 등의 존재를 확인하려고 한다. 즉 외계행성을 어떤 가스가 덮고 있는지, 물은 어떤 상태로 존재하는지, 외계행성 전체가 기체 덩어리인지, 또는 표면 전부가 바위로만 덮여 있는지 조사하려 하는 것이다.

과학자들은 제임스웹 우주망원경을 이용하여 태양계 안에 있는 행성들을 포함하여 수십 광년 먼 외계행성들까지 앞으로 10년 이상 계속 관측하여 그 정보를 축적해갈 것이다. (제임스웹 우주망원경에 대해서는 본사 블로그 참조)

​제임스웹은 어떻게 외계행성을 찾아낼까?

아득히 멀리 있는 별 주위에 보이지도 않는 외계행성이 존재한다는 것을 어떻게 알 수 있을까? 어느 특정 별 주변에 외계행성이 돌고 있다고 하자. 그러면 외계행성은 일정한 주기로 주성(主星) 주변을 공전할 것이다. 그러면 외행성이 주성 앞을 지날 때마다 주성의 빛을 가려 다소 어둡게 보일 것이다.

​​과학자들은 별의 밝기와 별에서 오는 빛의 파장이 변하는 것을 정밀한 분광광도계(spectrophotometer)를 이용하여 관찰할 수 있다. 만일 주성의 밝기가 주기적으로 일정하게 변한다면, 물리법칙에 따라 어느 정도의 질량을 가진 외행성이 어떤 주기로 공전하고 있는지 계산해 낼 수 있다. 또 그 광도의 변화가 복잡하다면, 몇 개의 크고 작은 행성이 어떤 주기로 공전하고 있는지도 계산이 가능하다.

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하와이 섬에 있는 케크천문대에서는 7년 동안 133광년 거리에 있는 페가수스 자리의 별 HR8799의 광도 변화를 관측하여, 이런 영상을 확보하고 외계행성의 존재를 분석했다.

​외계행성의 질량과 성분을 어떻게 알아낼까?

별들은 각기 일정한 파장의 빛을 내고 있다. 과학자들은 별빛의 파장을 분석하여 그 별의 성분을 짐작한다. 만일 별 주변에 외계행성이 존재한다면, 그들이 주성 앞을 지나갈 때, 주성에서 오는 빛의 파장과 광도에 변화가 생길 것이다. 그 변화를 분석하면 외계행성이 어떤 성분(수분, 이산화탄소, 메탄 등)으로 구성되어 있는지 추정할 수 있다. 한 예를 든다면 이산화탄소가 있다면 적외선을 많이 흡수한다.

​생명의 존재는 어떻게 짐작할 수 있을까?

온갖 생명체가 사는 지구를 생각해보자. 지구는 표면이 바위이고, 그 위에 물이 고여 있으며, 그 위를 대기가 가득 덮고 있다. 지구의 질량이 지금보다 작다면 중력이 약하여 물도 공기도 붙어있지 못하고 우주로 날아갈 것이다. 실제로 질량이 작은 수성은 달처럼 대기가 없고 바위만 덮여 있다.

​지구를 덮은 공기층이 없다면, 태양의 강한 방사선이 그대로 도달하여 생명체가 살 수 없도록 만들 것이다. 이와 마찬가지로 외계행성도 질량이 어느 정도 이하이면 물과 공기가 존재할 수 없고, 방사선이 강하면 생명체가 생존할 수 없을 것이다.

​대기가 있는 외계행성 ‘55 Cancri e’ 발견

최근 천문학자들은 지구보다 조금 크면서 지표면이 바위로 덮인 외계행성을 처음으로 찾아냈다. ‘55 Cancri e’라 이름을 붙인 이 외계행성은 40광년 거리에 있는 태양과 비슷한 별을 공전하고 있다. 제임스웹으로 관찰한 결과 이 외계행성의 대기는 일산화탄소와 이산화탄소 그리고 질소가 혼합된 것으로 추정되었다.

‘55 Cancri e’처럼 지구와 비슷한 외계행성이 발견되면, 천문학자들은 그 특별한 천체를 ‘슈퍼 지구’(super Earth)라 부른다. ‘55 Cancri e’에 이어 ‘LHS 3844b“라 이름을 지은 두 번째 슈퍼 지구도 발견되었다. 제2의 슈퍼 지구는 물병자리에 있는 TRAPPIST-1이라 불리는 적색왜성의 둘레를 도는 외계행성이다.

​2017년부터 조사되어온 TRAPPIST-1의 둘레에서는 지금까지 7개의 외계행성이 발견되었으며, 그중 3개는 대기가 희박하지만 조금은 있을 것이라 추정되고 있다. 위의 주성 트라피스트-1과 7개 외계행성은 상상으로 나타낸 것이며, 이들 모두 제임스웹의 관측대상이다.

​생명체가 존재할 외계행성의 최소 조건

외계행성의 표면이 바위이더라도 대기가 없으면 생명체가 살지 못한다. 그러므로 제임스웹은 외계행성에 대기가 있는지, 얼마나 있는지, 어떤 성분인지를 집중적으로 조사할 것이다.

​외계행성에 생명체가 존재하려면 그 표면이 지구처럼 용암이 굳은 화강암과 화산폭발에 의해 생겨난 검은 암석으로 덮여 있어야 한다. 이런 표면은 화산활동에 의해 내부의 마그마가 지표면으로 흘러나와 냉각된 것이다. 그러므로 이런 표면을 가진 외계행성은 태초의 지구와 비슷할 것이고, 또 화산활동이 있을 때 이산화탄소와 암모니아 같은 기체가 분출되어 대기가 될 수 있을 것이다.

태양 둘레를 도는 8개의 행성 중에서 목성, 토성, 천왕성, 해왕성 4개 행성은 전체가 기체의 덩어리이다. 외계행성 중에도 이런 기체 덩어리가 다수 있을 것이다. 이 영상은 지구, 대표적인 슈퍼 지구 2개, 그리고 가스 행성 해왕성을 비교하고 있다.

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지구로부터 200광년 거리에서 발견된 K2-141b라 명명된 슈퍼 지구이다. 이 행성은 마치 달이 지구와 서로 마주 보고 돌듯이, 주성을 향해 한쪽 면만 보여주면서 공전하고 있을 가능성이 있다. 이런 외계행성이 있다면, 주성을 향한 쪽은 고온일 것이고, 반대쪽은 끝없이 밤이 계속되는 냉한(冷寒)의 환경일 것이다.

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외계행성 중에는 해왕성처럼 가스 덩어리인 것도 있을 것이다. GJ1241b라 명명된 이 슈퍼 지구는 48광년 거리에 있다. 제임스웹은 이 가스상 외계행성도 관측할 것이다.

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2024년 중반까지 발견된 외계행성 5,616개는 대부분이 해왕성을 닮은 기체 덩어리이고, 슈퍼 지구로 추정되는 것은 1,695개이며, 완전히 암석 덩어리인 것은 200개로 추정되고 있다.

Neptune-like planets: 해왕성을 닮은 행성, Super-Earths: 지구형 행성, Unknow: 미상, Terrestrial: 암석 행성, Gas giants: 거대한 기체 덩어리 행성

​기체 덩어리 행성인 목성, 토성, 천왕성, 해왕성은 지구와 가깝기도 하고 우주탐사선이 직접 찾아가기도 했지만, 이들이 어떤 이유와 과정으로 기체 덩어리의 행성이 되었는지 그 신비는 아직도 풀어내지 못하고 있다. 이제 천문학자들은 제임스웹우주망원경을 활용하여 별처럼 많은 우주의 신비 가운데 슈퍼 지구의 존재를 밝혀보려는 노력을 시작했다. – YS