TRAPPIST-1은 행성 관측에 어떤 별일까?
TRAPPIST-1의 반지름은 태양의 약 12%로 목성보다 조금 클 뿐이다. 별이 작기 때문에 지구 크기 행성이 앞을 지나면 별빛의 약 0.6%가 가려진다. 같은 행성이 태양 앞을 지날 때보다 약 70배 큰 변화여서 행성의 크기와 대기를 관측하기에 유리하다. 그러나 별 표면에는 주변보다 어두운 별점과 밝은 영역이 있고 플레어도 일어난다. 별빛 자체가 시간과 빛의 종류에 따라 달라지면 그 변화가 행성 대기가 남긴 흔적과 섞일 수 있다.
TRAPPIST-1은 작은 덕분에 일곱 행성을 찾기 쉬웠지만, 각 행성의 대기를 조사하려면 별의 변화까지 자세히 알아야 한다. 별 표면의 모든 곳이 똑같이 빛난다고 가정하면 행성에 없는 기체가 있는 것처럼 보거나, 실제 대기가 남긴 흔적을 별의 변화로 잘못 판단할 수 있다.
- 약 40광년 태양계에서 TRAPPIST-1까지의 거리
- 태양 반지름의 약 12% 목성보다 조금 큰 별의 크기
- 태양 질량의 약 9% 중심에서 수소 핵융합을 이어 갈 수 있는 질량
- 약 2,566K 섭씨로 약 2,300도인 표면 온도
목성과 크기가 비슷한 TRAPPIST-1은 왜 별일까?
천문학자는 TRAPPIST-1을 M8V형 초저온 적색왜성으로 분류한다. 여기서 ‘초저온’은 다른 별과 비교해 온도가 낮다는 뜻이다. 표면 온도는 약 2,566K, 섭씨로 약 2,300도여서 태양의 절반보다 낮지만 암석과 금속을 녹이기에는 충분히 뜨겁다. 별빛의 대부분은 사람 눈에 보이는 빛보다 파장이 긴 적외선으로 나온다.
크기는 목성과 비슷하지만 질량은 목성의 약 94배다. 비슷한 크기 안에 훨씬 많은 물질이 모여 있어서 중심의 온도와 압력이 높고, 수소를 에너지로 바꾸는 핵융합을 계속할 수 있다. 핵융합을 이어 가지 못하는 행성이나 갈색왜성과 다른 점이다. TRAPPIST-1은 별이 될 수 있는 최소 질량에 가까운 작은 별이다.
작은 별 주위의 행성은 왜 찾기 쉬울까?
행성이 가리는 별빛의 비율은 행성과 별의 크기 차이로 정해진다. TRAPPIST-1의 반지름은 지구의 약 13배이므로 지구 크기 행성 하나가 별의 둥근 면 약 170분의 1을 가린다. 별빛은 약 0.6% 줄어든다. 지구가 태양 앞을 지날 때보다 약 70배 큰 변화다.
별이 작고 일곱 행성도 1.5일에서 18.8일마다 빠르게 한 바퀴 돌아 별 앞을 자주 지난다. 그래서 지상의 TRAPPIST 망원경과 Spitzer가 일곱 행성을 확인할 수 있었고, Webb도 여러 차례의 관측을 모아 대기를 조사한다. 행성이 가리는 비율이 크다고 해서 별 자체가 밝은 것은 아니다. TRAPPIST-1은 태양보다 훨씬 어두워서 작은 변화를 확실히 보려면 여러 번의 관측 결과를 합쳐야 한다.
행성의 대기는 별빛에서 어떻게 찾을까?
행성이 별 앞을 지날 때 일부 별빛은 행성 가장자리의 대기를 통과한다. 대기 속 기체는 특정한 빛을 흡수하므로 그 빛에서 행성이 아주 조금 더 크게 보인다. 연구진은 행성이 별 앞에 없을 때와 지나고 있을 때의 별빛을 색깔별로 나눠 비교한다. 이렇게 얻은 결과를 투과 스펙트럼이라고 한다.
이 방법은 두 시점의 별빛이 원래 같다고 가정한다. 별 표면 전체의 온도가 같다면 비교가 단순하지만, 실제 TRAPPIST-1의 표면은 고르지 않다. 행성이 지나간 자리와 가리지 않은 나머지 부분의 온도와 밝기가 다르면, 두 별빛의 차이에는 행성 대기뿐 아니라 별 표면의 차이도 들어간다.
- 행성이 없을 때 별빛을 잰다 별빛을 색깔별로 나눠 밝기를 기록한다.
- 행성이 지나는 동안 다시 잰다 행성과 대기가 가린 뒤 남은 별빛을 같은 방법으로 기록한다.
- 두 결과를 비교한다 어떤 빛에서 행성이 더 많은 별빛을 가렸는지 계산한다.
- 별이 만든 변화를 뺀다 별점·밝은 영역·플레어가 별빛을 어떻게 바꿨는지 따로 계산한다.
- 여러 관측에서 되풀이되는지 본다 같은 흔적이 반복될 때만 대기 속 기체의 후보로 검토한다.
별 표면의 변화가 행성 대기처럼 보일 수 있을까?
별점은 주변보다 온도가 낮아 어둡고, 밝은 영역은 주변보다 뜨겁다. 행성이 이곳을 직접 지나지 않아도 별 전체에서 별점과 밝은 영역이 차지하는 비율에 따라 평소 별빛이 달라진다. 차가운 별점은 빛의 종류에 따라 어두워지는 정도가 달라서, 행성 대기의 물이나 다른 기체가 빛을 흡수한 것처럼 보이는 모양을 만들 수 있다.
행성이 별점을 가로지르면 가려지는 빛이 적어져 관측 밝기가 잠시 올라가고, 밝은 영역을 가로지르면 더 많이 어두워질 수 있다. 플레어도 짧은 시간에 자외선·가시광선·적외선 밝기를 함께 바꾼다. 언제 일어나고 어떤 빛을 얼마나 바꾸는지가 서로 달라 한 번의 관측만으로 모두 가려내기 어렵다. Webb가 TRAPPIST-1 b를 처음 관측했을 때도 관측 시기마다 별점이나 밝은 영역이 만든 것으로 보이는 흔적이 나타났다.
작은 별 앞에서는 행성이 가리는 빛의 비율이 커진다. 하지만 대기를 정확히 알려면 행성이 가린 부분과 가리지 않은 부분의 밝기 차이도 함께 계산해야 한다.
별과 행성의 신호를 어떻게 가려낼까?
한 번의 통과만으로는 별이 만든 변화와 행성 대기의 흔적을 확실히 나누기 어렵다. 연구진은 여러 시기의 통과를 비교하고, 통과 전후의 별 밝기와 플레어를 함께 기록한다. 짧은 간격으로 두 행성의 통과를 관측하면 별 표면이 크게 바뀌기 전에 얻은 두 자료를 비교해 별이 만든 영향을 찾을 수도 있다.
행성이 별 뒤로 숨을 때 전체 빛이 얼마나 줄어드는지를 재면 행성의 낮 쪽이 내는 열도 알 수 있다. 이는 행성이 별 앞을 지날 때 얻는 정보와 다르다. 여러 종류의 빛과 관측 방법이 같은 대기 설명을 가리키는지 비교해야 한다. NASA는 행성에 따라 수년에 걸쳐 수백 번의 통과를 관측해야 대기를 확실히 구분할 수도 있다고 설명한다. 확정된 관측 횟수가 아니라 별의 변화 때문에 얼마나 어려운지를 보여 주는 예상이다.
오래된 별에서도 플레어가 일어날까?
TRAPPIST-1의 나이는 약 76억 년으로 추정되며, 실제 값은 이보다 약 22억 년 적거나 많을 수 있다. 태양보다 오래됐지만 나이가 많다고 자기 활동이 사라지는 것은 아니다. 적색왜성은 천천히 변하기 때문에 매우 오랫동안 자기 활동과 플레어를 이어 갈 수 있다.
이 별은 어두워서 행성들이 알맞은 양의 별빛을 받으려면 별 가까이 돌아야 한다. 일곱 행성 모두 수성이 태양을 도는 거리보다 별에 가깝다. 플레어가 내는 자외선과 X선은 가까운 행성의 대기 분자를 바꾸고 일부 기체가 우주로 빠져나가게 할 수 있다. 하지만 플레어가 보였다는 사실만으로 특정 행성의 대기가 사라졌다고 단정할 수는 없다. 처음 대기가 얼마나 두꺼웠는지, 자기장과 내부에서 나오는 새 기체가 있는지에 따라 결과가 달라진다.
페이지의 별 이미지는 TRAPPIST-1의 표면을 자세히 찍은 사진이나 사람이 보게 될 실제 색이 아니다. 반점과 밝은 영역은 별빛의 변화를 설명하기 위해 그린 것이다. 관측으로 확인된 것은 별 전체의 크기·질량·온도와 시간에 따른 빛의 변화다.
출처
- NASA Exoplanet Archive — TRAPPIST-1
- NASA Science — What Is Webb Revealing About the TRAPPIST-1 System?
- NASA Science — Webb Measures the Temperature of TRAPPIST-1 b
- NASA Science — TRAPPIST-1 Is Older Than Our Solar System
- Nature — Seven Temperate Terrestrial Planets Around TRAPPIST-1
- The Astrophysical Journal Letters — Strong Stellar Contamination in TRAPPIST-1 b Spectra
- The Astronomical Journal — Back-to-back Transit Stellar Correction