TRAPPIST-1 d에는 어떤 대기가 남아 있을까?
TRAPPIST-1 d는 질량이 지구의 약 39%, 크기가 약 79%인 작은 암석 행성이다. Webb는 행성이 별 앞을 두 차례 지날 때 여러 종류의 별빛을 분석했지만 물·메테인·이산화탄소 같은 기체의 뚜렷한 흔적을 찾지 못했다. 이 결과는 수소가 많은 두꺼운 대기와, 구름이 없어 기체 흔적이 크게 보여야 하는 여러 대기와 맞지 않는다. 그러나 대기가 거의 없는 표면, 매우 얇은 대기, 높은 구름이나 안개가 아래쪽 기체를 가린 대기는 여전히 가능하다.
- 약 4.0496일 중심별을 한 바퀴 도는 시간
- 약 334만km 별과 행성 사이의 평균 거리
- 지구의 약 0.39배 통과 시각 변화로 구한 행성 질량
- 지구의 약 0.79배 별빛을 가린 비율로 구한 행성 반지름
행성이 가리는 별빛으로 대기를 어떻게 찾을까?
행성이 별 앞을 지날 때 행성 자체는 별빛을 가리고, 일부 별빛은 행성 가장자리의 대기를 통과한다. 대기 속 기체가 특정한 빛을 흡수하면 그 빛에서는 대기까지 불투명해져 행성이 조금 더 크게 보인다. Webb는 빛의 종류마다 가려지는 양이 얼마나 다른지 비교해 대기 속 기체를 찾는다. 이를 투과 스펙트럼이라고 한다.
기체의 흔적은 대기 온도가 높고 행성 중력이 약하며 분자가 가벼울수록 크게 나타난다. d는 지구보다 중력이 약해서 수소처럼 가벼운 기체가 두껍게 남아 있다면 빛의 종류에 따라 행성 크기가 뚜렷하게 달라져야 한다. 그런 변화가 보이지 않았으므로 수소가 주성분인 두꺼운 대기는 가능성이 매우 낮다.
두 번의 통과 관측에서는 어떤 기체를 찾았을까?
Webb의 NIRSpec 장비는 두 차례 통과에서 사람 눈에 보이는 빛의 끝부분부터 근적외선까지 한꺼번에 기록했다. 연구진은 TRAPPIST-1의 별점과 밝은 영역이 별빛을 바꾸는 영향도 함께 계산했다. 그런 다음 대기가 없는 경우부터 기압·기체 종류·구름 높이가 다른 여러 대기까지 관측 자료와 비교했다.
물·메테인·이산화탄소·일산화탄소·암모니아·이산화황의 뚜렷한 흔적은 나타나지 않았다. 이 기체가 충분히 많은 맑고 두꺼운 대기라면 보여야 할 변화도 없었다. 그렇다고 행성 어디에도 이 분자가 한 개도 없다는 뜻은 아니다. 현재 관측으로 찾을 만큼 큰 흔적이 보이지 않았다는 뜻이다.
현재 관측에서 뚜렷한 기체 흔적은 보이지 않았다. 흔적이 크게 보여야 하는 맑고 두꺼운 대기는 제외되지만, 얇거나 구름에 가린 대기는 남아 있다.
뚜렷한 기체 흔적이 없을 때 어떤 환경을 생각할 수 있을까?
첫째, 대기가 거의 없는 암석 표면이라면 통과 중에 추가로 빛을 흡수할 기체가 없어 스펙트럼이 평평하다. 둘째, 화성보다도 얇거나 분자량이 큰 대기는 높이가 낮아 현재 정밀도로 흡수 무늬를 찾기 어려울 수 있다. 셋째, 높은 고도의 구름이나 연무가 넓은 파장 범위를 가리면 아래에 기체가 있어도 분자 무늬가 평평해질 수 있다.
이 세 경우는 표면 온도와 기압이 전혀 다르지만 별 앞을 지날 때의 빛만으로는 비슷하게 보일 수 있다. 더 많은 통과 관측을 합쳐 작은 변화를 선명하게 만들고, 행성이 내는 적외선으로 낮과 밤의 열 이동을 재며, 구름 위에서도 보이는 다른 빛의 흔적을 찾아야 한다.
- 크기와 질량을 구했다 가려진 별빛으로 크기를, 이웃 행성의 통과 시간 변화로 질량을 계산했다.
- 별이 만든 변화를 계산했다 별점과 밝은 영역이 별빛의 색을 어떻게 바꾸는지 함께 살폈다.
- 여러 대기와 비교했다 기체의 종류·기압·구름 높이에 따라 예상되는 빛의 흔적을 만들었다.
- 맞지 않는 대기를 제외했다 수소가 많거나 뚜렷한 흔적을 내야 하는 맑고 두꺼운 대기는 자료와 맞지 않았다.
- 세 가능성이 남았다 대기가 거의 없는 표면, 매우 얇은 대기, 높은 구름이 있는 대기는 더 관측해야 한다.
거주가능지대 가까이에 있다는 것은 무엇을 뜻할까?
d는 지구가 태양에서 받는 양과 비슷하거나 조금 많은 에너지를 받는다. 넓은 기준으로 잡은 거주가능지대의 별 쪽 경계 부근이다. 열을 알맞게 붙잡는 대기가 있다면 액체 물이 있을 수도 있는 거리라는 뜻일 뿐, 실제 물·대기·구름·생명체를 발견했다는 표시는 아니다.
대기가 없다면 낮과 밤의 온도 차가 크고 표면 물도 오래 유지되기 어렵다. 얇은 대기라면 압력과 조성에 따라 액체 물의 안정성이 달라진다. 높은 구름이 있는 두꺼운 대기라면 온실효과와 반사율이 다시 온도를 바꾼다. 현재 관측은 이 환경들을 하나로 정하지 못한다.
페이지의 표면·구름 그림은 관측 사진이 아니다. Webb가 측정한 것은 행성이 별 앞을 지날 때 빛의 종류마다 가려지는 양이 달라지는지 여부다. 기체의 흔적을 찾지 못했다는 결과는 대기나 생명이 없다는 뜻이 아니다.
출처
- NASA Exoplanet Archive — TRAPPIST-1 d
- NASA Science — Atmospheric Possibilities for TRAPPIST-1 d
- The Astrophysical Journal — NIRSpec Transmission Spectrum of TRAPPIST-1 d
- The Planetary Science Journal — TRAPPIST-1 Masses and Radii
- NASA Science — Webb Results for TRAPPIST-1
- NASA Science — TRAPPIST-1 d Catalog
- Nature — Seven Temperate Terrestrial Planets