TRAPPIST-1 e에는 어떤 대기가 있을까?
TRAPPIST-1 e는 지구보다 크기가 약 8% 작고 질량은 약 31% 가벼운 암석 행성이다. 지구가 태양에서 받는 에너지의 약 65%를 받아 거주가능지대에 있지만, 물이나 대기는 아직 확인되지 않았다. Webb가 행성이 별 앞을 지나는 모습을 네 차례 관측한 결과, 수소가 대부분인 두꺼운 대기는 가능성이 매우 낮아졌다. 그러나 질소·산소·이산화탄소처럼 무거운 기체로 된 대기가 있는지, 대기가 아예 없는지는 구분하지 못했다. 별점과 플레어가 별빛을 계속 바꾸기 때문이다.
- 약 6.10일 중심별을 한 바퀴 도는 시간
- 지구의 약 0.92배 통과 때 가린 별빛으로 구한 반지름
- 지구의 약 0.69배 이웃 행성과 주고받는 중력으로 구한 질량
- 지구의 약 0.65배 행성이 받는 별빛의 양
수소가 많은 대기는 어떻게 확인할까?
행성이 별 앞을 지날 때 일부 별빛은 행성 가장자리의 대기를 통과한다. 대기 속 기체가 특정한 빛을 흡수하므로, 빛의 종류마다 가려지는 양을 재면 기체의 흔적을 찾을 수 있다. 수소처럼 가벼운 기체는 높은 곳까지 퍼져 흔적이 크게 나타난다. 질소나 이산화탄소처럼 무거운 기체는 낮게 모여 흔적이 훨씬 작다.
Webb의 NIRSpec 장비는 2023년에 기록한 네 차례 통과에서 사람 눈에 보이는 빛의 끝부분부터 근적외선까지 분석했다. 구름이 있거나 기압이 낮은 경우까지 계산해도 수소가 약 80% 넘게 들어 있는 대기는 자료와 맞지 않았다. 행성이 만들어질 때 붙잡았을 수소·헬륨 대기가 지금까지 남았을 가능성이 낮다는 뜻이다. 그렇다고 질소·산소·이산화탄소가 많은 대기까지 없는 것은 아니다.
관측할 때마다 결과가 달라진 이유는 무엇일까?
TRAPPIST-1의 표면은 한 가지 밝기로 고르게 빛나지 않는다. 주변보다 어두운 별점과 밝은 영역, 짧은 폭발이 시간에 따라 위치와 세기를 바꾼다. 행성이 가리지 않은 영역의 색이 달라지면 실제 대기가 없어도 빛의 종류마다 가려지는 양이 달라져 대기 신호처럼 보일 수 있다.
네 관측은 모두 별 표면의 영향을 받았고, 특히 세 번째에는 행성이 지나가는 동안 큰 플레어가 일어났다. 연구진은 관측 때마다 달라지는 넓은 변화를 별이 만든 것으로 보고, 매번 같은 빛에서 반복되는 작은 흔적만 행성 대기 후보로 살폈다. 그러나 별점의 온도와 크기를 단순하게 계산한 것만으로는 별빛의 변화를 모두 설명하지 못했다. 별의 영향을 뺀 뒤 작은 흔적이 남아도 곧바로 행성 대기의 기체라고 할 수 없는 이유다.
현재 자료로는 두꺼운 수소 대기가 없다는 것까지 알 수 있다. 무거운 기체로 된 얇은 대기가 있는지, 대기가 아예 없는지는 아직 모른다.
희미한 메테인 흔적을 발견으로 볼 수 있을까?
별이 만든 변화를 뺀 자료에서는 질소 같은 무거운 기체에 메테인이 조금 섞인 대기가 일부 흔적을 설명했다. 하지만 대기 흔적이 전혀 없는 평평한 결과도 관측과 맞았고, 분석 방법에 따라서는 이쪽이 더 잘 맞았다. 따라서 지금 보이는 작은 흔적은 메테인이나 대기를 발견했다고 발표할 수준이 아니다.
금성이나 화성처럼 이산화탄소가 대기의 대부분을 차지하는 모형도 자료와 잘 맞지 않는 쪽으로 기울었다. 다만 이산화탄소가 조금 섞인 무거운 대기는 남아 있다. 액체 물이 존재한다면 그 정도의 이산화탄소가 온실효과를 만들 수 있다는 계산도 가능하지만, 현재 관측은 물·바다·구름을 직접 찾지 못했다.
b와 e를 연이어 관측하는 이유는 무엇일까?
연구진은 e의 앞이나 뒤에 TRAPPIST-1 b가 잇달아 별 앞을 지나는 때를 골라 15차례 추가 관측을 진행하고 있다. b는 두꺼운 대기가 없는 암석 행성으로 보이므로, b의 자료에 나타난 흔적은 같은 시각의 별이 만든 것으로 볼 수 있다. 그 흔적을 e의 자료에서도 빼고 e에서만 반복되는 변화를 찾는 방식이다.
2025년에 보고된 첫 세 차례에서는 이 방법의 장점과 한계가 함께 나타났다. 별이 조용할 때는 별이 만든 영향을 줄일 수 있었지만, 두 행성의 통과 사이에 강한 플레어가 일어나면 별의 상태가 같다고 볼 수 없었다. 전체 자료를 모은 뒤에도 플레어가 겹친 관측을 가려 내고 분석 방법에 따라 결과가 얼마나 달라지는지 확인해야 한다.
- e를 네 번 관측했다 수소가 주성분인 두꺼운 대기는 없지만 별이 만든 변화가 크다는 것을 확인했다.
- 여러 대기와 비교했다 대기가 없는 경우와 무거운 기체로 된 여러 대기가 모두 남았다.
- b와 e를 잇달아 관측한다 같은 시각의 b를 이용해 별이 만든 흔적을 찾는다.
- e에만 남는 흔적을 찾는다 전체 관측을 합쳐 같은 기체 흔적이 반복되는지 검사한다.
거주가능지대에 있는 e에 관해 무엇이 확인됐을까?
e가 받는 별빛은 표면 액체 물을 허용할 수 있는 범위에 놓인다. 하지만 실제 온도는 대기압과 조성, 구름, 표면 반사율, 낮과 밤 사이의 열 이동에 따라 달라진다. 중심별을 늘 같은 면으로 바라본다면 바다가 행성 전체에 퍼지는 모형도, 별을 정면으로 보는 지역에만 물이 남는 모형도 가능하다. 둘 다 현재 관측으로 확인한 풍경은 아니다.
지금 가장 먼저 확인해야 할 것은 생명이 아니라 대기가 있는지 여부다. 별 자체가 반복해서 만드는 변화를 먼저 가려낸 뒤, e에서만 같은 종류의 빛에 나타나는 흔적을 여러 번 확인해야 어떤 기체가 있는지 이야기할 수 있다.
페이지의 바다·구름·지표 이미지는 관측 사진이 아니다. 현재 Webb 관측으로 수소가 주성분인 두꺼운 대기의 가능성은 매우 낮아졌다. 그러나 무거운 기체로 된 대기와 액체 물, 생명체는 아직 확인되지 않았다.
출처
- NASA Exoplanet Archive — TRAPPIST-1 e
- NASA Science — Webb Looks at TRAPPIST-1 e
- The Astrophysical Journal Letters — Four NIRSpec Transmission Spectra
- The Astrophysical Journal Letters — Secondary Atmosphere Constraints
- Allen et al. — TRAPPIST-1 e/b Program and First Observations
- NASA Science — Webb Results for the TRAPPIST-1 System
- NASA Science — TRAPPIST-1 e Catalog