JWST, 성간 천체 3I/ATLAS에서 메탄 탐지

JWST, 성간 천체 3I/ATLAS의 특성 규명 및 메탄과 표면 아래 휘발성 물질 검출

제임스 웹 우주 망원경(JWST)이 성간 천체 3I/ATLAS에 대한 사상 최초의 중적외선 분광 분석을 수행하며, 태양계 외부 방문자 연구에 있어 중요한 이정표를 세웠다. 태양계 너머에서 온 세 번째 확인된 방문자인 이 천체는 천문학자들에게 먼 외계 환경에서 형성된 물체의 화학적 조성에 대한 보기 드물고 상세한 통찰을 제공했다. Matthew Belyakov, Ian Wong, Bryce T. Bolin이 포함된 연구팀은 망원경의 중적외선 기기(MIRI)를 사용하여 근일점 통과 후의 3I/ATLAS를 관측했으며, 복잡한 열 처리 과정의 역사와 고대 표면 아래 휘발성 물질의 보존을 시사하는 데이터를 포착했다. 2025년 12월 관측을 통해 얻은 이번 발견은 다른 항성계의 구성 요소를 샘플링하는 우리의 능력에 있어 패러다임의 전환을 의미한다.

3I/ATLAS의 등장은 수수께끼 같은 1I/‘오무아무아와 보다 전형적인 혜성의 모습을 보인 2I/보리소프의 뒤를 잇는 것이다. 그러나 3I/ATLAS는 궤도 타이밍과 JWST의 전례 없는 감도 덕분에 특성 규명을 위한 독특한 기회를 제공했다. 역학 분석에 따르면 이 천체는 고대 별들이 밀집한 은하계의 두꺼운 원반(thick disk)에서 유래했을 가능성이 높으며, 궁수자리 방향에서 우리 태양계로 접근했다. 이러한 천체를 연구함으로써 과학자들은 우리 태양계의 화학적 청사진이 전형적인 것인지, 아니면 우리가 은하계 이웃에서 예외적인 존재인지를 판단할 수 있다. 3I/ATLAS에 대한 관측은 태양 중심 거리 2.20 및 2.54 au에서 수행되었으며, 천체가 다시 성간 공극으로 돌아가는 긴 여정을 시작할 때의 가스 분출(outgassing) 거동을 들여다볼 수 있는 창을 제공했다.

3I/ATLAS의 과학적 중요성과 휘발성 물질의 특징

3I/ATLAS의 화학적 지문을 포착하기 위해 연구진은 JWST MIRI 기기의 중간 해상도 분광기(MRS)를 사용했다. 이를 통해 5~28마이크론 파장 범위에 걸쳐 특정 형광 특징을 검출할 수 있었다. 주요 발견 중 하나는 5.8~7.0마이크론 사이의 수증기 \(\nu_2\) 밴드와 15마이크론을 중심으로 한 이산화탄소(CO₂)의 일차 \(\nu_2\) 및 관련 핫 밴드(hot bands)의 명확한 검출이었다. 이러한 측정 결과 두드러진 화학적 프로파일이 드러났다. 3I/ATLAS는 약 8:1이라는 비정상적으로 높은 이산화탄소 대비 물의 비율을 보였다. 이 비율은 일반적인 태양계 혜성에서 관찰되는 것보다 현저히 높으며, 이는 이 천체가 이산화탄소가 풍부한 지역에서 형성되었거나 원시 화학 조성을 변화시킨 특정 방사선 환경 하에 있었음을 시사한다.

표준적인 휘발성 물질들 외에도, MIRI 스펙트럼은 7.507마이크론에서 원자 상태 니켈의 금지된 전이(forbidden transition)를 포착했다. 혜성 코마에서 이러한 중금속 증기가 존재하는 것은 최근에야 태양계 혜성에서 확인된 현상이며, 성간 천체에서의 검출은 서로 다른 항성계 간에 특정 열적 과정이 공통적으로 나타난다는 점을 강조한다. 연구팀은 또한 핵 근처 코마 내에서 확장된 수분 생성원을 관찰했는데, 이는 가스 분출이 핵 자체뿐만 아니라 코마 내에 포함된 얼음 알갱이에서도 발생하고 있음을 나타낸다. 이러한 "확장된 소스(extended source)" 현상은 3I/ATLAS의 물리적 구조에 대한 단서를 제공하며, 열을 받으면서 물질을 배출하는 취약한 얼음 조성을 시사한다.

메탄 및 표면 아래 물질 검출의 획기적 성과

아마도 이번 JWST 캠페인의 가장 획기적인 결과는 성간 천체에서 메탄(CH₄)을 최초로 직접 검출한 것일 것이다. 메탄은 휘발성이 매우 강한 종으로, 태양열로 인해 혜성 천체의 표면층에서 소실되는 경우가 많다. 3I/ATLAS의 경우, 연구진은 물에 비해 메탄 생성이 지연되어 시작되는 점에 주목했다. 이는 메탄이 즉각적인 표면에 존재한 것이 아니라, 처리되지 않은 표면 아래 물질에 갇혀 있었음을 시사한다. 근일점 통과 중에 태양열이 천체 깊숙이 침투함에 따라, 수백만 년 또는 수십억 년 전 천체가 형성된 이래로 변하지 않은 채 남아 있던 이 "신선한" 휘발성 물질들이 해방된 것이다.

이번 발견은 성간 천체의 메탄 존재에 관한 오랜 의문에 답을 제시한다. 이전 2I/보리소프 관측에서 다양한 탄소 함유 분자의 징후가 나타나긴 했지만, 3I/ATLAS에서 CH₄를 직접 확인한 것은 이러한 성간 여행자들이 복잡한 화학 반응에 필요한 유기물 전구체를 운반하고 있음을 확증해 준다. 오르트 구름 혜성의 기준치와 비교했을 때 강화된 CH₄:H₂O 비율은 3I/ATLAS를 화학적으로 구별되는 개체로 더욱 차별화한다. 표면 아래 메탄의 출현은 "열적 시계" 역할을 하여, 천체의 최외곽층이 성간 방사선과 이전의 가열 사건에 의해 어떻게 처리되었는지, 반면 내부는 어떻게 다른 세계에서 온 저온 타임캡슐로 남아 있었는지에 대한 이야기를 들려준다.

비교 행성학 및 3I/ATLAS 가스 분출의 역학

JWST 관측은 2025년 12월, 12일 간격으로 두 차례의 뚜렷한 시기로 나뉘어 진행되었다. 이 타이밍 덕분에 연구팀은 천체가 태양에서 멀어짐에 따라 활동이 어떻게 진화하는지 추적할 수 있었다. 흥미롭게도 데이터는 이 짧은 기간 동안 전체적인 가스 분출이 상당히 감소했음을 보여주었다. 특히, 측정된 수분 활동 수준은 다른 가스 종보다 더 가파르게 떨어졌다. 이러한 차등 가스 분출은 관련 물질의 휘발성에 대한 중요한 데이터를 제공한다. 표면이 식으면서 이산화탄소나 메탄보다 승화에 더 많은 에너지가 필요한 물이 가장 먼저 생성 감소를 보인 것이다. 이러한 거동은 태양계 내부에서 발견되는 보다 "온화한" 혜성들과 비교해 3I/ATLAS가 매우 휘발성이 풍부한 천체라는 상태를 더욱 공고히 한다.

3I/ATLAS를 지역 혜성들과 비교할 때 가장 극명한 차이는 여전히 이산화탄소의 풍부함이다. 대부분의 오르트 구름 혜성은 물이 지배적인 휘발성 물질인 반면, 3I/ATLAS는 탄소 산화물이 지배적인 것으로 보인다. 이러한 화학적 지문은 우리 태양보다 차가운 별 주변의 원시 행성계 원반 환경, 또는 이산화탄소 얼음이 물 얼음보다 우세할 수 있는 원반 지역에서의 형성을 가리킬 수 있다. 연구진은 3I/ATLAS가 은하계의 얇은 원반과 두꺼운 원반 사이의 전이 지대, 잠재적으로는 항성 간의 조우로 인해 붕괴된 원시 미행성체 원반이나 외계 오르트 구름에서 기원했을 수 있다고 제안한다.

성간 연구의 향후 방향

3I/ATLAS의 성공적인 특성 규명은 "외계" 천문학의 새로운 시대가 열렸음을 알린다. 성간 방문자에 대한 화학적 기준을 설정함으로써, JWST는 은하계 전체에서 행성계가 어떻게 형성되고 진화하는지에 대한 보다 정확한 모델을 구축하는 데 필요한 데이터를 제공하고 있다. 단일 성간 천체에서 메탄, 이산화탄소, 원자 상태 니켈이 존재한다는 사실은 이러한 천체들의 다양성이 이전에 예상했던 것보다 훨씬 클 수 있음을 시사한다. 각각의 새로운 방문자는 수 광년을 여행해야 하는 불가능한 여정 대신, 먼 항성계의 샘플을 "무료"로 제공해 준다.

앞으로 과학계는 이러한 발견의 급증에 대비하고 있다. 곧 가동될 베라 C. 루빈 천문대는 시공간 레거시 조사(LSST)를 통해 우리 근처로 들어오는 훨씬 더 많은 성간 천체를 탐지할 것으로 기대된다. JWST가 고해상도 "후속 관측" 기능을 제공함에 따라, 천문학자들은 조만간 3I/ATLAS와 같은 개별적인 호기심 대상을 연구하는 단계에서 벗어나 성간 화학 다양성에 대한 통계적 조사를 수행하게 될 것이다. 광활한 우주 공간을 가로질러 휘발성 물질이 어떻게 보존되는지에 대한 이러한 진화하는 이해는 궁극적으로 생명체의 구성 요소의 기원과 은하계 전역의 거주 가능 환경의 빈도를 이해하는 데 도움이 될 것이다.