[사이언스] 제임스 웹 우주망원경의 새로운 발견에 숨은 '한계'

[비즈한국] 제임스 웹 우주망원경이 최근 또 다른 엄청난 발견을 해냈다. 드디어 직접 새로운 외계행성을 발견하기 시작한 것이다. 이전까지 제임스 웹은 다른 망원경으로 이미 그 존재를 확인한 외계행성의 후속 관측만 해왔다. 그런데 이번엔 드디어 제임스 웹이 직접 새로운 외계행성을 검증했다. 크기도 지구와 비슷한 아주 작은 암석 행성이다. 그런데 이번 발견은 새로운 행성의 발견 자체보다 더 중요한 질문을 던진다. 제임스 웹을 활용해 지구를 쏙 닮은 외계 생태계를 찾겠다는 지금의 전략에 고민을 안겨주기 때문이다. 

제임스 웹 우주망원경이 직접 새로운 암석 행성을 발견했다. 하지만 이번 발견에서 우리가 고민해야 하는 중요한 포인트가 있다.

2018년 연료가 모두 떨어지고 은퇴한 초대 외계행성 사냥꾼 케플러 망원경의 뒤를 이어 그 동생 TESS 우주 망원경이 올라갔다. TESS도 케플러와 같은 방식으로 외계행성을 찾는다. 별 주변을 맴도는 외계행성이 별 앞을 가리고 지나갈 때 별빛이 미세하게 어두워지는 트랜짓을 활용한다. 

다만 TESS는 케플러 때와 큰 차이가 있다. 이제 우린 거의 모든 별 곁에 외계행성이 있다는 사실을 잘 알고 있다. 케플러는 시선을 고정한 채 가급적 먼 거리의 우주까지 뒤졌다. 하지만 TESS는 보다 가까운 범위에서 남쪽과 북쪽 하늘 전역을 모두 훑어본다. TESS는 케플러의 400배가 넘는 넓은 면적의 하늘을 빠르게 훑어보며 태양계 주변 20만 개 가까운 별 곁에서 외계행성의 흔적을 쫓는다. 

TESS는 아주 넓은 각도의 하늘을 바라보며 한꺼번에 많은 별들의 밝기 변화를 포착한다. 그래서 외계행성의 트랜짓으로 의심이 가는 변화가 감지되더라도 곧바로 정말 외계행성인지 아닌지 확정하기가 애매하다. 별 자체가 요동치거나 별 표면의 어두운 흑점 같은 반점이 지나가면서 생긴 변화일 수도 있다. 천문학자들은 TESS로 관측한 별들 중에서 당장은 결론 내리기 어렵지만 외계행성으로 의심이 되는 천체들을 따로 정리한다. 이런 천체들을 TESS로 찍은 관심 대상(TOI, TESS Objects of Interest)이라고 부른다. 가끔 뉴스에서 볼 수 있는 별 이름 앞에 붙은 TOI라는 알파벳이 바로 이것이다. 

제임스 웹은 이 리스트 중에서 TOI-910 별을 겨냥했다. 이 별은 LHS 475라고도 불린다. 밤하늘의 남쪽 끝자락 팔분의자리 방향으로 약 40광년 떨어져 있으며, 태양 질량의 26%밖에 안 되는 아주 왜소한 적색왜성이다. 제임스 웹에 탑재된 적외선 분광 장비 NIRspec을 활용해 이곳을 바라봤다. 분광기는 이미지를 찍는 카메라는 아니지만 어쨌든 망원경으로 들어오는 빛의 세기도 잴 수 있다. 2022년 8월 31일과 9월 4일, 두 번에 걸쳐 별 앞으로 외계행성이 가리고 지나가는 트랜짓을 목격했다. 외계행성이 별 앞을 가리고 지나가는 약 40분간 별빛이 뚜렷하게 어두워졌다. 확실히 외계행성으로 인한 밝기 변화였다. 

별 LHS 475 곁에서 처음 발견된 이 외계행성은 규칙에 따라 알파벳 b를 붙여서 LHS 475b라고 부르게 되었다. 외계행성 LHS 475b는 제임스 웹이 최초로 발견했다기보다는 처음에는 TESS 관측을 통해 그 존재를 추정했고, 최근 제임스 웹 관측을 통해 최종 검증했다고 말하는 것이 정확하다. 

이 외계행성은 중심 별에 바짝 붙어 있다. 별에서 겨우 0.02AU, 수성 궤도 크기의 7%밖에 안 되는 작은 크기의 궤도를 돈다. 별 주변을 단 2일 만에 공전한다. 즉 이 행성의 1년은 지구 시간으로 겨우 2일이다! 트랜짓이 진행되는 동안 별빛이 얼마나 어두워지는지를 보면 그 앞을 가리고 지나가는 행성의 크기도 유추할 수 있는데, 이 외계행성의 지름은 지구 지름의 99%, 거의 지구와 같다. 

다만 외계행성의 질량을 유추하는 건 조금 복잡하다. 보통은 중심 별과 주변 외계행성이 서로의 중력에 함께 붙잡혀 둘이 함께 미세하게 움직이는 효과를 활용해서 질량을 추정한다. 목성처럼 덩치가 크고 무거운 행성은 그만큼 별을 흔드는 정도가 크기 때문에 질량을 재기 쉽다. 하지만 지구처럼 작고 가벼운 행성은 별을 흔드는 정도가 너무 작아서 이 방법으로 질량을 재기가 아주 어렵다. 

이번 제임스 웹 관측에선 행성의 중력으로 인해 별이 흔들리는 흔적을 뚜렷하게 보지 못했다. 그래서 일단은 앞서 계산한 이 행성의 크기에 현재까지 알려진 일반적인 지구형 암석 행성의 밀도를 적용해서 대강의 질량을 유추했다. 그렇게 추정된 질량은 지구 질량의 약 91%. 마찬가지로 지구와 거의 비슷하다. 크기가 너무 작아서 기존 망원경으로 관측하기 까다로웠던 지구형 외계행성을 제임스 웹은 포착할 수 있다는 것을 입증했다. 

더 중요한 결과가 남아 있다. 제임스 웹의 가장 중요한 목적은 외계행성의 대기권 성분을 파악하는 것이다. 별빛이 외계행성을 감싼 대기권을 통과하면서 대기 성분에 의해 별빛 일부가 흡수된다. 어떤 파장에서 빛이 흡수되었는지 스펙트럼만 보면 대기를 구성하는 화학 성분의 종류와 양을 알 수 있다. 제임스 웹이 처음으로 발견한 지구형 외계행성 LHS 475b의 대기권엔 무엇이 있을까? 

실제 관측 데이터는 굉장히 지저분하다. 드문드문 찍힌 데이터 포인트들이 실제론 어떤 모양의 스펙트럼을 보여주는 건지 파악하기가 애매하다. 그래서 천문학자들은 수학적·통계적인 전략을 쓴다. 다양한 화학 성분을 가정한 모델 스펙트럼을 여러 가지 만든 다음 실제 관측된 데이터 포인트에 가장 잘 들어맞는 것을 찾아낸다. 각 데이터 포인트가 수학적으로 구한 모델로부터 얼마나 벗어나 있는지 그 정도를 모두 합한다. 이것을 카이스퀘어(χ²)라고 한다(자세한 설명은 제임스 웹의 관측 데이터 분석 원리를 소개한 지난 칼럼 참고). 

모든 데이터 포인트가 완벽하게 모델 위에 놓인다면 χ²는 0이 된다. χ² 값이 커질수록 데이터 포인트가 모델과 잘 맞지 않다는 뜻이다. 따라서 가장 χ²가 작게 나오는 모델을 찾으면 된다.

LHS 475b의 결과는 어떨까? 단순히 태양처럼 수소와 헬륨만으로 이루어진 별의 대기 상황을 적용하면 모델은 확실히 관측 결과를 벗어난다. χ² 값도 엄청 크다. 반면 행성의 대기가 순수한 수증기, 이산화탄소, 메테인으로만 이루어져 있다고 가정하면 훨씬 잘 들어맞는다. 우리 지구와 똑같은 대기 상황을 가정해도 χ²는 아주 작아지고 관측 결과를 잘 설명한다. 

그런데 χ²가 제일 작게 나오는, 즉 데이터 포인트와 가장 차이가 적은 케이스는 따로 있다. 바로 대기권이 아예 없다고 가정했을 때다. 아쉽게도 이번 첫 관측만으론 충분히 깔끔한 데이터를 얻기 어렵다. 스펙트럼이 너무 희미하고 오차가 크다. 그래서 정말 우리 지구와 똑같은 대기 조성을 갖고 있는지, 아니면 아예 대기가 없는지 결론을 내릴 수 없다. 난감하게도 두 가지 해답 모두 통계적으로 충분히 가능하기 때문이다.

그런데 이 난감한 상황, 기시감이 들지 않는가? 그렇다. 지난 글에서 소개했던 제임스 웹으로 관측한 트라피스트-1 외계행성의 대기권 관측 때와 상황이 비슷하다. 바로 이 점에서 제임스 웹으로 외계행성의 대기권과 생명의 징후를 탐색하는 도전에 두 가지 큰 질문이 생긴다.

첫 번째 포인트는 제임스 웹이 정말 지구처럼 표면에 얇게 깔린 대기권도 파악하기 좋은 효율적인 도구인가에 대한 근본적인 질문이다. 앞서 제임스 웹이 초반에 공개한 다른 외계행성들의 스펙트럼 관측 결과는 이번 LHS 475b의 결과에 비해 훨씬 깔끔하다. 대기에 어떤 성분이 있는지 전혀 애매하지 않게 확실히 파악할 수 있다. 그 이유는 초반에 관측한 외계행성들은 전부 목성처럼 펑퍼짐하게 퍼진 거대한 대기권을 갖고 있는 가스 행성이기 때문이다. 가스 행성의 대기권은 두께도 두껍고 밀도도 낮다. 행성의 대기권을 뚫고 날아온 별빛을 보기 더 쉽다. 

하지만 지구처럼 작은 암석 행성에선 상황이 다르다. 설령 대기권이 있더라도 표면에 바짝 낮게 깔린 짙은 대기권이 있다. 따라서 그 얇은 대기권을 운 좋게 통과한 별빛을 보기도 어렵고, 애초에 대기 밀도가 너무 짙어서 별빛 대부분이 대기권을 통과하지 못할 수 있다. 대기 성분을 파악할 만큼 충분히 강한 별빛이 망원경에 날아오지 못한다는 뜻이다. 

그렇다면 대기권이 아예 없는 건지, 아니면 대기권이 너무 얇고 짙은 건지는 어떻게 확인할 수 있을까? 

한 가지 방법은 있다. 보통 얇고 짙은 대기권은 행성에 비치는 별빛을 머금어 행성을 더 뜨겁게 달구는 온실효과를 일으킨다. 표면에 얇게 깔린 대기권으로 인해 달궈진 행성의 온도는 적외선 관측으로 파악할 수 있다. 이후의 추가 관측을 통해 외계행성 LHS 475b의 온도가 중심 별로부터 떨어진 거리에 비해 좀 더 뜨겁게 관측된다면 이곳에는 얇게 깔린 대기권이 숨어 있다는 좋은 증거가 된다. 

현재 계획에 따르면 올해 2023년 여름 이곳을 추가 관측할 예정이다. 아직까진 딱 두 번의 트랜짓만 목격했지만 이후 더 많은 트랜짓 관측 데이터를 쌓아 데이터 포인트를 늘릴 수 있다. 더 선명해진 스펙트럼의 형태를 보고 대기권의 존재 여부와 그 성분도 정확하게 파악할 수 있을 것이다. 즉 제임스 웹이라 하더라도 지구처럼 작은 암석 행성에서 대기권의 존재를 확인하기 위해선 여러 번에 걸친 반복 관측과 긴 기다림이 필요하단 뜻이다. 

우리가 고민해야 하는 또 다른 두 번째 포인트가 있다. 지금까지 발견된 외계행성 대부분은 주로 왜소한 적색왜성 곁에서 발견된 경우가 많다. 적색왜성 곁에서 온도가 적당한 ‘해비터블(habitable)’ 행성을 찾기가 훨씬 쉽기 때문이다. 중심 별이 태양보다 훨씬 어둡고 미지근하다면 태양-지구 사이 거리보다 더 가까이 다가가야 따뜻한 별빛을 충분히 받을 수 있다. 적색왜성 주변 해비터블 존에서 궤도를 도는 외계행성이라면 별에 바짝 붙은 작은 궤도를 돌아야 한다. 궤도가 작으면 그만큼 궤도를 도는 데 걸리는 시간도 짧다. 금방금방 궤도를 돌면서 계속 빠르게 별 앞을 가리고 지나갈 수 있다. 

이번에 관측한 LHS 475b도 공전 주기가 겨우 2일이다. 단 며칠만 관측해도 별 주변을 무언가 약 2일 주기로 맴돌고 있음을 빠르게 확인할 수 있다. 오래 기다리지 않아도 금방 외계행성의 존재를 알 수 있다는 효율성 때문에 그간 대부분의 해비터블 외계행성은 적색왜성 주변에서 찾았다. 

그런데 문제는 이렇게 중심 별에 바짝 붙어 있으면 오히려 생명이 살기 어려울 수 있다는 점이다. 별 표면에서 터져나오는 물질 분출과 강한 방사선에 행성이 노출되기 때문이다. 또 중심 별의 강한 중력에 행성이 그대로 붙잡혀 계속 같은 면이 별을 향하게 된다. 별을 바라보는 행성의 절반은 계속 뜨거운 낮이 되고, 별을 등진 나머지 절반은 계속 차가운 밤이 된다. 행성 표면에 골고루 별빛이 비춰지지 않는다. 이런 극단적인 일교차는 생명이 살기 어려운 조건이다. 

그렇다면 이런 작고 왜소한 별 말고 태양에 훨씬 더 가까운 밝고 큰 별 주변에서 행성을 찾으면 안 될까? 물론 그러면 좋겠지만 훨씬 까다롭다. 우리 지구만 해도 태양 주변을 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간이 1년이다. 만약 주변에 태양과 똑같은 별을 발견하고 그 주변에서 지구처럼 적당한 거리를 둔 행성을 찾고 싶다면 적어도 1~2년은 넘는 긴 세월 동안 관측을 해야 행성의 존재를 검증할 수 있다. 행성이 별 앞을 가리고 지나가는 트랜짓이 겨우 1년에 한 번씩만 찾아올 테니 말이다. 

결국 이런 탐색의 현실적인 문제로 인해 그간 대부분의 ‘해비터블’ 외계행성은 태양 같은 별이 아닌 훨씬 어둡고 미지근한 적색왜성 곁에서만 발견했다. 어쩌면 적색왜성 곁에서 발견한 ‘해비터블’ 외계행성은 그 이름만 ‘해비터블’일 뿐 실상은 전혀 ‘해비터블’하지 않을지도 모른다. 

문제는 제임스 웹은 적외선을 보는 망원경이란 점이다. 적외선을 많이 방출하는 별 위주로 관측한다. 제임스 웹은 애초에 태양보다 훨씬 미지근한 적색왜성을 주 타깃으로 할 수밖에 없다. 기존의 망원경을 훨씬 압도하는 좋은 성능 덕분에 목성처럼 덩치 큰 가스 행성뿐 아니라 지구만큼 작은 암석 행성도 찾을 수 있지만, 태양 같은 익숙한 별이 아닌 훨씬 작고 미지근한 적색왜성 곁에서만 해비터블 행성의 흔적을 쫓아야 한다는 것이다. 

결국 제임스 웹과 함께하는 아주 멋진 시대를 살게 되었지만, 아쉽게도 제임스 웹 역시 한계가 있다는 점을 잊어서는 안 된다. 궁극적으로 가까운 미래, 적외선이 아닌 가시광선으로 우주를 바라보게 될 더 거대한 차차세대 망원경에 제임스 웹이 해결하지 못한 남은 숙제를 맡겨야 할 것이다. 

하지만 아직 실망은 이르다. 최근 미지근한 적색왜성 곁에 바짝 붙어 돌고 있는 외계행성에서도 우리의 걱정과 달리 생태계가 무사히 생존할 수 있다는 새로운 가능성이 거론된다. 제임스 웹을 통한 외계행성 및 외계생명 탐색에 희망이 될지 모르는 이 이야기는 다음 칼럼에서 소개하겠다.

참고

필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​

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