K2-18b, 지구 바깥 또 하나의 ‘물의 행성’일까

대기 아래 숨겨진 수분… 외계 수계 행성 연구의 유력 후보로 부상

태양계 밖 124광년 거리, 적색왜성 K2-18을 공전하는 외계 행성 K2-18b가 다시 주목받고 있다.
제임스 웹 우주망원경(JWST)의 최신 관측 데이터를 바탕으로, 이 행성이 대기 아래 상당량의 물을 품고 있을 가능성이 새롭게 확인됐기 때문이다. 이번 발견은 외계 생명체 탐색 중심의 기존 접근을 넘어, ‘물이 어떤 조건에서 어떻게 존재하는가’라는 질문을 중심으로 외계 수계 환경을 탐구하는 흐름으로 관심을 전환시킨다.

대기에서 포착한 물의 흔적… K2-18b가 보여준 수계의 이면

K2-18b는 지구보다 크고 해왕성보다는 작은, 이른바 ‘서브-해왕성’급 외계 행성이다. 연구팀은 제임스 웹 우주망원경(JWST)의 근적외선 트랜싯 관측 4건과 허블 자료를 결합해 이 행성의 대기 구성을 분석했고, 그 결과 메탄(CH₄)과 이산화탄소(CO₂)가 동시에 안정적으로 존재하는 것으로 나타났다.

이 조합은 일반적인 대기 모델로는 설명하기 어렵고, 내부 구조에 대한 두 가지 시나리오를 시사한다. 하나는 수소 기반의 대기에서 금속 성분 비율이 태양보다 약 100배 높은 고밀도 대기 구조이고, 다른 하나는 얇은 대기층 아래 행성 부피의 10~25%를 차지하는 심층 수계가 형성돼 있을 가능성이다.

연구진은 후자에 무게를 두고 있으며, 이는 고압 환경 속에서 물이 독립된 층으로 존재하고 장기간 안정적으로 유지될 수 있음을 의미한다. 이 행성은 지표에 바다가 보이지 않더라도 내부에 물을 품을 수 있다는 가능성을 보여주는 첫 실측 사례 중 하나로, 비지구형 수계 행성 구조의 존재를 뒷받침하는 주요 근거로 주목받고 있다.

콜드 트랩 아래의 물, 대기가 감춘 수계 구조

이번 분석에서는 수증기가 검출되지 않았지만, 이는 물이 존재하지 않아서가 아니라 수분이 대기 상층에서 응결돼 관측 고도에 도달하지 못하는 ‘콜드 트랩(cold trap)’ 현상 때문일 가능성이 크다. 따라서 대기에서 수증기가 보이지 않는다고 해서 물 자체가 없다고 단정할 수는 없다.

또한 암모니아(NH₃)와 일산화탄소(CO)도 관측되지 않았는데, 이는 생물학적 활성보다는 화학적으로 안정된 비지구형 대기 조건을 시사한다. 특히 암모니아가 존재하지 않는 점은 액체 상태의 물이 내부에 존재하더라도 생명체의 흔적과 직접 연결되지 않을 수 있음을 보여주며, 이 행성이 생명 탐사보다는 물의 물리적 구조와 유지 조건을 연구하는 데 더 적합한 관측 대상으로 주목받는 이유다.

수소 대기 아래의 물, K2-18b가 바꾼 탐사의 기준

K2-18b는 지표에 바다가 펼쳐진 지구형 행성과는 다르다. 그러나 두꺼운 대기 아래 고압 환경 속에서 물이 존재할 수 있는 가능성은 이번 분석을 통해 분명해졌다. 관측 결과는 단순히 물이 있다는 단편적인 발견이 아니라, 물이 어떤 조건에서 형성되고 유지되는지를 실제로 추적할 수 있다.

이번 분석은 단순한 물의 존재 여부를 넘어, 수소 기반 대기 아래 고압 환경에서도 수분이 안정적으로 유지될 수 있음을 보여줬으며, 이는 외계 수권 구조에 대한 정의 자체를 확장하는 결과로 이어진다. 그동안 지구형 환경에 집중되던 수계 탐사의 방향을 전환할 수 있는 사례로, K2-18b는 비지구형 행성의 내부 구조와 수분 분포를 정량적으로 검증할 수 있는 관측 가능한 실험장으로서의 가치를 입증하고 있다.

손동민 기자/ hello@sciencewave.kr

참고 논문: Renyu Hu et al, A water-rich interior in the temperate sub-Neptune K2-18 b revealed by JWST, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2507.12622

자료: arXiv