제임스 웹 우주망원경이 루비와 사파이어 비가 내리는 날씨를 관측하는 이유는?

밤하늘이 물 분자를 분해할 만큼 뜨겁게 빛나고, 시속 11,000마일의 강풍이 몰아치며, 해 질 녘이면 액체 상태의 루비와 사파이어가 비처럼 쏟아지는 세상을 상상해 보십시오. 이는 공상과학 소설이 아니라 제임스 웹 우주 망원경(JWST)이 오늘 발표한 지구에서 약 880광년 떨어진 초고온 목성형 행성, WASP-121b의 최신 일기예보입니다.

WASP-121b는 초고온 목성형 행성(ultra-hot Jupiter)이라 불리는 외계행성 분류에 속합니다. 이들은 모항성에 매우 가깝게 공전하여 공전 주기가 며칠이 아닌 수 시간 단위로 측정되는 가스 거대 행성입니다. 이 행성의 경우 한 바퀴 공전하는 데 불과 30.5시간밖에 걸리지 않으며, 항성의 강력한 중력으로 인해 구형이었던 행성이 미식축구공 모양의 타원체로 왜곡될 정도의 가혹한 환경에 놓여 있습니다. 용광로 같은 항성을 영구적으로 바라보는 낮 지역은 2,500켈빈 이상의 온도에 달하는데, 이는 철이나 마그네슘 같은 금속을 기화시킬 뿐만 아니라 일반적으로 매우 안정적인 분자들까지 분해할 수 있을 만큼 뜨거운 온도입니다.

WASP-121b는 조석 고정(tidally locked)되어 있어 한쪽 반구는 영원한 낮이 지속되고, 반대쪽은 영원한 밤을 보냅니다. 허블 우주 망원경을 통한 이전 관측에서 이미 마그네슘과 철이 대기에서 탈출하고 있다는 징후가 포착되었으며, 이론적으로는 철이 응결되어 더 차가운 밤 지역으로 비처럼 내릴 수 있다는 연구 결과가 있었습니다. 그러나 이러한 거시적인 관측을 넘어, 이 행성의 대기 역학은 우리 태양계의 어떤 행성에서도 재현할 수 없는 극한 기상 조건 속에서 여전히 불투명한 '블랙박스'와 같았습니다.

제임스 웹 우주 망원경이 행성의 날씨를 읽는 방법

이번 연구의 핵심 기술은 투과 분광법(spectroscopy)입니다. 이는 지난 20년간 외계행성(exoplanet) 과학의 중추적인 역할을 해왔으나, JWST를 통해 비약적인 정밀도를 얻게 되었습니다. 행성이 항성 앞을 지나갈 때, 항성 빛의 아주 작은 부분이 행성의 상층 대기를 통과합니다. 이때 대기 중의 분자들이 특정 파장의 빛을 흡수하며 우리가 수신하는 스펙트럼에 화학적 지문을 남기게 됩니다. 천문학자들은 행성이 통과할 때 측정한 스펙트럼과 그렇지 않을 때의 스펙트럼을 비교하여 어떤 기체가 존재하는지 분석할 수 있습니다.

이 접근법이 갖는 중요성은 단 하나의 이국적인 행성을 연구하는 것을 넘어섭니다. 만약 이 기술이 확실하게 입증된다면, 천문학자들은 향후 더 작고 차가운 행성, 심지어 암석형 행성에도 적용하여 구름 덮개, 풍속, 온도 대비 등을 지도화할 수 있을 것입니다. 현재로서는 WASP-121b가 벤치톱 실험 대상이며, 그 결과는 놀라우면서도 상당히 일관되게 나타나고 있습니다.

기화된 금속 세계의 새벽과 황혼

주요 발견은 저녁 쪽 경계면(terminator)이 아침 쪽보다 더 뜨겁다는 점입니다. 예를 들어, 저녁 쪽에서 수증기의 스펙트럼 신호가 더 약하게 나타났는데, 이는 그곳의 대기가 너무 뜨거워 물 분자가 빛을 흡수하기도 전에 수소와 산소로 해리(분해)되고 있다는 증거입니다. 반대로 아침 쪽 경계면에서는 더 강한 수증기 신호가 나타났는데, 이는 물이 적어도 잠시 동안은 존재할 수 있는 더 시원한 환경임을 시사합니다.

일산화탄소는 이와 상호 보완적인 정보를 보여주었습니다. 일산화탄소의 흡수 특성 역시 온도 변화와 일치하게 나타났으며, 이는 행성을 시속 약 11,000마일의 속도로 휘감아 돌며 타오르는 낮 지역의 열을 어두운 밤 반구로 실어 나르는 초회전풍(super-rotating winds)과 같은 강력한 대기 순환을 뒷받침합니다. 연구진은 아침 쪽 지역에 규산염 광물, 즉 미세 입자로 응결된 암석 증기로 이루어진 구름이 존재할 수 있으며, 이것이 더 깊은 층을 관측하는 것을 방해할 수 있다고 제안합니다. 저자들은 "그러한 구름이 실제로 존재하는지 확인하려면 더 정교한 모델이 필요하다"고 주의를 당부하지만, 이러한 비대칭성은 명확합니다.

보석 비 가설: 증기에서 결정으로

WASP-121b에서 루비와 사파이어 비가 내린다는 대중적인 이미지는 직접적인 시각적 증거가 아닌, 타당한 화학적 추론에 근거합니다. 루비와 사파이어는 모두 강옥(corundum, 산화알루미늄)이라는 광물의 변종으로, 미량의 불순물인 크롬과 철이 함유되면 붉은색 루비가 되고, 티타늄과 철이 함유되면 푸른색 사파이어가 됩니다. 행성 대기에서 이러한 결정이 형성되려면 알루미늄 공급원, 충분한 산소, 그리고 증기가 고체 알갱이로 응결될 수 있는 급격한 온도 강하라는 세 가지 조건이 필요합니다.

WASP-121b는 이 세 가지 조건을 모두 충족하는 것으로 보입니다. 낮 지역은 알루미늄 함유 화합물을 기화시킬 만큼 뜨거우며, 이전 허블 관측을 통한 스펙트럼 분석 결과 무거운 원소들이 존재하고 때로는 행성에서 완전히 탈출하고 있음이 밝혀졌습니다. 기체가 낮 지역에서 밤 지역으로 이동하면서 냉각되면, 어느 시점에서는 산화알루미늄이 응결될 것입니다. 비교적 고요한 지역에서 천천히 냉각이 일어나면 결정이 성장할 수 있고, 이 결정이 대류에 의해 위로 올라가거나 중력에 의해 아래로 떨어지면서 반짝이는 비처럼 내릴 수 있습니다. 이 아이디어는 2020년 다른 초고온 목성형 행성에 대해 처음 제안되었으며, 극명한 온도 대비와 열을 운반하는 바람의 존재를 보여주는 새로운 JWST 데이터는 보석 비가 실제로 내린다고 확증할 수는 없더라도 그 가능성을 더욱 높여주고 있습니다.

이번 연구에서 연구진이 산화알루미늄을 직접 감지한 것은 아니며, 온도 프로필이나 화학적 혼합으로 인해 결정 성장이 방해받을 가능성도 여전히 남아 있습니다. 그러나 측정된 조건은 이 가설과 일치하며, 향후 JWST의 MIRI 장비 등을 이용한 관측을 통해 강옥 알갱이의 특징적인 스펙트럼 신호를 찾을 수 있을 것입니다. 현재로서는 보석 비는 확인된 관측 결과가 아닌 강력한 추론 단계에 있습니다.

외계 세계의 우주 날씨(space weather)

과학자들이 외계행성의 우주 날씨에 대해 이야기할 때, 보통 지자기 폭풍이나 태양 플레어를 의미하는 것이 아니라 바람, 구름, 온도 변화, 화학적 순환 등 행성의 기상학적 특성을 정의하는 더 넓은 의미의 대기 역학을 의미합니다. WASP-121b의 경계면 비대칭성을 지도화하는 JWST의 능력은 우주 날씨 모니터링의 한 형태이며, 조건이 완전히 생소한 세계를 연구하기 위한 도구 상자를 확장해 줍니다.

지구에서 우주 날씨는 태양풍과 코로나 질량 방출을 의미하고, 화성에서는 먼지 폭풍과 대기 탈출을 포함합니다. 뜨거운 목성형 행성에게 우주 날씨는 극심한 복사 에너지와 초음속 바람, 이국적인 응결 현상을 유발하는 강력한 열기관의 상호작용입니다. Gapp 연구팀이 입증한 기술은 다른 행성에 적용하여 경도별 온도 프로필을 측정하고, 제트 기류를 밝혀내며, 심지어 계절적 변화를 추적하는 데 사용될 수 있습니다(단, 행성이 너무 뜨거워 신호가 완전히 가려지지 않는 경우에 한합니다).

이 연구에는 실용적인 측면도 있습니다. 극한의 압력 하에서 대기가 어떻게 행동하는지 이해하는 것은 외계행성과 지구 자체의 기후 모델을 개선하는 데 도움이 됩니다. WASP-121b의 열 순환을 유도하는 것과 동일한 물리학(불균일한 가열에 대한 반응, 구름과 분자 해리의 역할)이 온도 차이는 매우 크지만 우리 자신의 성층권에서도 작동하고 있습니다. 이런 의미에서 우주는 대기 극한 상황의 실험실이며, JWST는 그 실험대의 새로운 분광기인 셈입니다.

극한 기후를 보는 새로운 렌즈

연구팀은 데이터를 완전히 해석하기 위해 3차원 순환, 구름 미세물리학, 분자 해리를 설명할 수 있는 더 복잡한 모델이 필요하다는 점을 인정합니다. 또한 아침 쪽 구름의 존재가 확인된다면 이는 JWST가 초고온 목성형 행성에서 발견한 최초의 규산염 구름이 될 것이며, 극한 조건에서의 응결 물리학을 이해하는 또 다른 창을 열게 될 것입니다.

하루 남짓한 시간에 항성을 공전하는 행성에 대해 발견의 속도가 놀랍도록 느렸다는 점은 수백 광년 떨어진 세계를 관측하는 어려움을 역설적으로 보여줍니다. 하지만 상황은 변하고 있습니다. 매번 새로운 통과 관측을 통해 JWST는 WASP-121b의 베일을 한 겹씩 벗겨내고 있으며, 아무리 이질적일지라도 그 예보는 이제 '덥고 바람이 강하며, 액체 보석이 내릴 가능성이 있음'과 같은 제대로 된 일기예보의 형태를 갖춰가고 있습니다.

이제 장비들의 성능은 충분히 예리해졌으며, 상상력이 그 뒤를 따라가야 할 시점이 머지않았습니다.

출처

• Nature Astronomy (연구 논문: Gapp et al., “Longitudinal atmospheric structure of the ultra-hot Jupiter WASP-121b from JWST”)
• 막스 플랑크 천문학 연구소 보도 자료
• NASA 외계행성 과학 연구소 (WASP-121b 항목)