TRAPPIST-1 c

TRAPPIST-1 c에는 어떤 대기가 있을까?

TRAPPIST-1 c는 지구보다 조금 크고 무거우며, 별에서 받는 에너지는 금성이 태양에서 받는 양과 비슷하다. 처음에는 두꺼운 이산화탄소 대기와 구름을 지닌 ‘금성의 쌍둥이’일 가능성이 거론됐다. 그러나 2023년 낮 쪽의 열과 2026년 낮·밤의 밝기 변화를 잰 결과, 지구 지표면 기압과 비슷한 1bar보다 두꺼운 대기는 관측과 맞지 않았다. 얇은 산소 대기가 있는지, 아니면 대기 없이 밝은 표면이 별빛을 많이 반사하는지는 아직 구분되지 않는다.

• 약 2.4218일 중심별을 한 바퀴 도는 시간
• 약 236만km 별과 행성 사이의 평균 거리
• 지구의 약 1.31배 통과 시각 변화로 구한 행성 질량
• 지구의 약 1.10배 별빛을 가린 비율로 구한 행성 반지름

행성이 별 뒤로 숨을 때 무엇을 잴 수 있을까?

행성이 별 옆에 있을 때는 별빛과 행성 낮 쪽의 적외선이 함께 들어오고, 별 뒤로 숨으면 별빛만 남는다. Webb의 MIRI 장비는 c가 별 뒤로 숨는 모습을 네 번 관측했다. 파장 15μm의 적외선에서 전체 밝기가 약 0.04% 줄어드는 차이를 이용해 행성 낮 쪽이 내는 열을 구했다.

이 밝기는 약 380K, 섭씨 약 107도라는 밝기온도에 해당했다. 금성처럼 두껍고 이산화탄소가 많은 대기라면 15μm 적외선을 흡수하고 낮의 열을 밤으로 옮겨 낮 쪽이 더 어둡게 보여야 한다. 실제 c는 그보다 훨씬 밝았다. 두꺼운 이산화탄소 대기와 황산 구름을 가진 금성 같은 환경은 아니지만, 대기가 전혀 없는지는 알 수 없었다.

낮과 밤의 열은 어떻게 비교할까?

행성이 별 뒤로 숨는 순간만 보면 낮 쪽의 열만 알 수 있다. Webb는 행성이 한 바퀴 도는 동안 지구 쪽을 향하는 면이 달라질 때 적외선 밝기를 계속 기록했다. 이를 열 위상곡선이라고 한다. 두꺼운 대기가 있다면 낮의 열이 밤으로 이동해 밤 쪽에서도 적외선이 나오고, 가장 뜨거운 곳도 별을 정면으로 보는 지점에서 옆으로 이동할 수 있다.

2026년 관측에서 c의 낮 쪽 밝기온도는 369±23K, 섭씨 약 96±23도였다. 밤 쪽의 열은 뚜렷하게 보이지 않았고, 가장 밝아지는 시점도 눈에 띄게 옮겨지지 않았다. 낮의 열을 밤으로 널리 옮기는 두꺼운 대기, 특히 지표면 기압이 약 1bar를 넘는 대기는 가능성이 크게 낮아졌다.

c에는 금성과 같은 두꺼운 대기가 없다. 하지만 얇은 대기가 있는지, 밝은 표면이 별빛을 많이 반사하는지는 아직 모른다.

c의 낮 쪽은 왜 예상보다 서늘할까?

c는 b보다 별에서 멀어 받는 에너지가 적다. 그러나 두 행성의 위상곡선 차이는 거리만으로 모두 설명되지 않는다. c의 낮 쪽은 b보다 서늘하고, 가능한 무대기 표면 모형에서는 더 높은 반사율이 필요하다. 표면이 밝으면 들어온 별빛을 더 많이 돌려보내 온도가 낮아진다.

다른 설명은 산소가 주성분인 매우 얇은 대기다. 열을 가두거나 밤으로 옮기는 힘은 약하지만 낮 쪽의 적외선 밝기에는 영향을 줄 수 있다. 과거에 강한 별빛이 물을 분해하고 가벼운 수소가 우주로 빠져나갔다면 산소가 남을 수 있다는 계산도 있다. 가능성을 보여 주는 계산일 뿐 산소를 직접 발견한 것은 아니다.

1. 크기와 질량을 구했다 가려진 별빛으로 크기를, 이웃 행성의 통과 시간 변화로 질량을 계산했다.
2. 2023년 낮 쪽의 15μm 적외선으로 두꺼운 금성형 이산화탄소 대기가 아님을 확인했다.
3. 별 앞을 지날 때의 빛을 분석했다 수소가 많은 두꺼운 대기는 없었지만 별의 변화가 섞였다.
4. 2026년 한 바퀴 동안 낮·밤의 열을 재어 1bar보다 두꺼운 대기의 가능성을 더 낮췄다.
5. 현재 얇은 산소 대기와 별빛을 많이 반사하는 무대기 표면을 구분할 관측이 더 필요하다.

별 표면의 변화가 대기 관측에 어떤 영향을 줄까?

행성이 별 앞을 지날 때 대기를 통과한 별빛을 분석하면 어떤 기체가 빛을 흡수했는지 찾을 수 있다. c의 근적외선 관측에서는 수소가 많은 대기와 물·암모니아·일산화탄소가 많은 일부 두꺼운 대기가 없는 것으로 나타났다. 하지만 TRAPPIST-1의 별점과 밝은 영역도 별빛의 색을 크게 바꾸기 때문에 얇은 대기의 작은 흔적은 확인하지 못했다.

한 바퀴 동안의 적외선 밝기 변화는 별점의 영향을 다른 방식으로 받지만, 산소처럼 열을 많이 가두지 않는 기체가 무엇인지를 직접 알려 주지는 않는다. 여러 종류의 적외선과 별 앞을 지날 때의 별빛이 모두 같은 설명을 가리켜야 얇은 대기와 밝은 표면을 구분할 수 있다.

TRAPPIST-1 c는 금성과 얼마나 닮았을까?

c의 질량과 반지름은 암석 행성과 잘 맞지만 철핵의 크기, 표면 광물, 대기압을 각각 정하지 못한다. 별에서 받는 에너지가 금성과 비슷하다는 사실도 현재 환경이 같다는 뜻이 아니다. 중심별의 스펙트럼과 플레어, 행성의 형성 물질과 대기 손실 역사가 다르기 때문이다.

369±23K, 섭씨 약 96±23도는 파장 15μm의 적외선으로 계산한 낮 쪽 밝기온도다. 행성 전체의 평균온도나 표면 모든 곳의 실제 온도가 아니다. 얇은 산소 대기와 별빛을 많이 반사하는 표면은 관측값을 설명하는 두 가능성이며, 산소·구름·광물을 직접 발견한 것은 아니다.

출처

• NASA Exoplanet Archive — TRAPPIST-1 c
• NASA Science — Thick Carbon Dioxide Atmosphere Ruled Out
• Nature — No Thick Carbon Dioxide Atmosphere on TRAPPIST-1 c
• Nature Astronomy — Thermal Phase Curves of TRAPPIST-1 b and c
• The Astrophysical Journal — TRAPPIST-1 c Transmission and Stellar Contamination
• The Planetary Science Journal — TRAPPIST-1 Masses and Radii
• NASA Science — Webb Results for the TRAPPIST-1 System