워털루대·버밍엄대 국제 연구진, 제임스웹으로 TOI-561 b 37시간 관측…이산화규소 구름이 대기 유지 열쇠
지구에서 280광년 떨어진 용암 행성이 별빛의 75%를 튕겨내는 '광물 구름 썬크림'을 두르고 있다는 연구 결과가 나왔다.
캐나다 워털루대와 영국 버밍엄대 등 국제 공동 연구진은 제임스웹 우주망원경(JWST)으로 외계행성 TOI-561 b를 37시간 동안 관측해 모항성 주위를 거의 네 바퀴 도는 궤도를 분석했다. 연구 결과는 국제학술지 The Astronomical Journal 172권에 실렸다.
TOI-561 b는 모항성을 단 10시간여 만에 한 바퀴 도는 슈퍼지구로, 표면이 용암으로 뒤덮여 있다. 지구 반지름의 약 1.4배, 질량의 약 2.2배이며, 밀도는 약 4.3g/㎤로 예상보다 낮다. 항성에 지나치게 가까이 붙어 있어 과학자들은 오래전에 대기를 잃었을 것으로 예상해 왔다.
이번 연구의 출발점은 이전 관측에서 포착된 이상 신호였다. TOI-561 b의 낮 반구 온도가 항성과 이처럼 가까운 어두운 암석 행성에서 예상되는 수준보다 훨씬 낮게 나타난 것이다. 연구진은 유입 에너지의 상당 부분이 밤 반구로 이동하거나 표면을 가열하기 전에 우주로 반사되고 있을 가능성에 주목했다.
이를 규명하기 위해 연구진은 JWST로 행성의 궤도 전체를 추적하며 처음으로 밤 반구를 직접 관측했다. 같은 면이 항상 항성을 향하는 TOI-561 b의 밤 반구는 직접 별빛을 받지 않는다. 그러나 측정 결과 밤 반구의 온도는 낮 반구의 열을 모두 설명하기에 충분히 높지 않았다. 결국 잃어버린 열의 상당 부분은 반사로 설명된다는 결론에 이르렀다.
JWST 관측 결과 TOI-561 b는 별빛의 약 75%를 반사하는 것으로 나타났다. 이는 태양계 행성 중 금성과 비슷한 수준이다. 연구진은 컴퓨터 기후 모델과 망원경 측정값을 비교해 반사율의 원인을 추적했다. 시뮬레이션 결과, 이산화규소(SiO₂)와 규산마그네슘(MgSiO₃) 등 규산염 광물로 이루어진 구름이 낮 반구 위에 형성돼 태양광을 표면에 닿기 전에 차단하는 역할을 할 수 있다는 결론이 나왔다. 이 대기는 항성을 향한 낮 반구의 열을 영구적인 밤 반구 쪽으로 옮겨 낮 반구 온도를 추가로 낮추는 역할도 하는 것으로 보인다.
연구진이 특히 주목한 것은 이 대기가 수십억 년간 유지됐다는 점이다. 이처럼 강한 항성 복사를 받는 행성은 이론상 오래전에 대기를 잃었어야 한다. 이번 결과는 TOI-561 b가 두꺼운 대기를 가지고 있으며, 용암으로 이루어진 내부에서 방출되는 가스로 대기가 지속적으로 보충된다는 기존 증거를 뒷받침한다.
과학자들은 아직 TOI-561 b 대기를 구성하는 기체의 정확한 성분을 파악하지 못하고 있다. 금성처럼 두꺼운 이산화탄소 층일 수도 있고, 목성의 위성 이오에서처럼 화산 활동으로 방출되는 이산화황이 주성분일 가능성도 있다. 현재까지 대기 성분을 나타내는 분자 특징은 검출되지 않아 성분은 여전히 미지수로 남아 있다.
워털루대에서 연구를 한 교수는 "궤도 전체에 걸쳐 행성의 밝기와 열이 어떻게 변하는지 측정했다"며 "위상 곡선이라 불리는 이 기법을 통해 행성이 모항성 빛을 상당량 반사하고, 열이 낮 반구에만 머무르지 않고 행성 전체로 재분배된다는 사실을 확인했다. 이 두 가지는 모두 대기의 존재를 가리킨다"고 밝혔다.
버밍엄대 조교수는 "이번 발견은 현재 이론에 도전한다"며 "TOI-561 b처럼 강한 복사를 받는 암석 행성은 수십억 년 전에 대기를 잃었을 것으로 예상했는데, 증거는 오늘날에도 상당한 대기가 남아 있음을 시사한다"고 말했다. 이어 행성이 처음부터 비정상적으로 많은 가스를 보유했는지, 아니면 표면을 뒤덮은 용암 바다가 행성 전체를 아우르는 화산처럼 끊임없이 대기를 공급하는지가 핵심 질문이라고 덧붙였다.
연구진은 앞으로 JWST로 더 긴 파장에서 행성을 관측해 대기 화학 성분을 파악하고, 이처럼 뜨거운 행성이 수십억 년간 어떻게 대기를 유지해 왔는지 규명할 계획이다. 워털루대 교수는 "TOI-561 b의 대기가 금성과 닮았는지, 아니면 이오의 극단적 버전인지를 밝히는 것이 다음 목표"라고 말했다.
