TRAPPIST-1 f의 낮은 밀도는 무엇을 뜻할까?
TRAPPIST-1 f의 질량은 지구의 약 1.04배이고, 반지름은 약 1.045배다. 이 두 값으로 계산한 평균 밀도는 약 5.02g/cm³로 지구보다 약 9% 낮다. 내부에 물이 많으면 밀도가 이렇게 낮아질 수 있지만, 이것만으로 바다가 있다고 결론 내릴 수는 없다. 철이 적은 암석 행성이나 철이 산소와 결합해 맨틀에 퍼진 행성도 같은 질량과 크기를 가질 수 있기 때문이다.
- 약 9.21일 중심별을 한 바퀴 도는 시간
- 지구의 약 1.045배 별빛을 가리는 정도로 계산한 반지름
- 지구의 약 1.04배 별 앞을 지나는 시각의 변화로 계산한 질량
- 약 5.02g/cm³ 질량과 크기로 계산한 평균 밀도
TRAPPIST-1 f의 크기와 질량은 어떻게 잴까?
f가 별 앞을 지나면 별빛이 약 0.65% 줄어든다. 행성이 클수록 더 많은 별빛을 가리므로, 이 감소량을 이용하면 별과 행성의 크기 비율을 알 수 있다. 여기에 별의 실제 크기를 적용해 f의 반지름을 계산한다.
질량은 이웃 행성들의 중력을 이용해 구한다. 일곱 행성은 서로 잡아당기기 때문에 별 앞을 지나는 시각이 예상보다 조금 빨라지거나 늦어진다. 2021년 연구진은 Spitzer가 네 해 동안 모은 자료와 지상망원경·Hubble·K2 자료를 합쳐 통과 시각 447개를 분석했다. 특히 바깥쪽 다섯 행성에서 약 490일을 주기로 큰 시간 변화가 나타난 덕분에 f의 질량을 약 3%의 오차 범위로 계산할 수 있었다.
평균 밀도는 질량을 부피로 나눈 값이다. 행성의 부피는 반지름을 세 번 곱한 값에 비례하므로, 반지름의 작은 오차도 밀도 계산에는 더 큰 영향을 준다. 또 평균 밀도는 행성 전체를 하나의 값으로 나타낼 뿐, 핵과 맨틀, 물층이 어디서 나뉘는지는 보여 주지 않는다.
같은 밀도를 만드는 내부 구조에는 무엇이 있을까?
첫 번째 가능성은 물이 거의 없고 철이 적은 암석 행성이다. TRAPPIST-1의 일곱 행성이 비슷한 물질로 만들어졌다고 가정한 모형에서는 철이 전체 질량의 약 21%일 때 관측된 밀도를 설명할 수 있다. 지구의 철 비율인 약 32%보다 낮기 때문에, 두꺼운 물층이 없어도 평균 밀도가 낮게 나온다.
두 번째 가능성은 철이 금속 핵에 모이지 않고 산소와 결합해 맨틀에 섞여 있는 행성이다. 같은 양의 원소로 이루어져도 내부 구조가 달라지면 행성의 부피가 더 커질 수 있다. 세 번째 가능성은 지구와 비슷한 암석과 철 위에 물이나 얼음으로 된 가벼운 층이 놓인 행성이다. 물층이 매우 깊다면 아래쪽의 물은 높은 압력을 받아 지구의 바다에서는 볼 수 없는 단단한 얼음이 될 수도 있다.
평균 밀도만으로는 내부에 물이 얼마나 있는지 확정할 수 없다. 철핵의 크기를 어떻게 가정하느냐에 따라 계산되는 물의 양도 달라진다.
TRAPPIST-1 f의 물 비율은 어떻게 추정했을까?
2025년 연구진은 관측된 질량과 반지름을 여러 내부 구조 모형에 넣어 물의 양을 계산했다. 맨틀과 핵의 비율을 지구와 비슷하게 고정했을 때는 물이 전체 질량의 6.9±2.0%로 나왔다. 핵의 크기를 더 자유롭게 바꾼 계산에서는 16.2±9.9%가 나왔다. 두 결과가 크게 다른 까닭은 망원경으로 물을 직접 측정한 것이 아니라, 서로 다른 내부 구조를 가정했기 때문이다.
이 계산에는 암석과 철이 압력을 받을 때 얼마나 줄어드는지, 각 층의 온도와 핵의 크기는 얼마인지처럼 직접 측정하지 못한 값이 들어간다. 물의 총량을 추정하더라도 그 물이 표면의 액체인지, 얼음인지, 대기의 수증기인지는 질량과 반지름만으로 알 수 없다. 낮은 밀도는 물이 많은 행성일 가능성을 열어 두지만, 물만이 유일한 설명은 아니다.
대기를 알면 물에 관해 무엇을 더 알 수 있을까?
Hubble 관측으로는 f에 해왕성처럼 수소가 많고 크게 부푼 대기가 있을 가능성이 낮아졌다. 하지만 질소·이산화탄소·수증기처럼 무거운 기체로 이루어진 얇은 대기가 있는지는 아직 알 수 없다. 대기의 압력과 온실효과를 모르면, f가 지구의 약 37%만큼 별빛을 받을 때 표면 온도가 얼마일지도 정확히 계산할 수 없다.
NASA가 2026년 1월에 정리한 자료에 따르면 Webb는 f를 관측했지만 대기 분석은 아직 진행 중이다. 별 표면의 얼룩과 폭발이 만든 변화를 먼저 가려낸 뒤, 이산화탄소 같은 분자의 흔적이 여러 관측에서 되풀이되는지 확인해야 한다. 대기의 압력과 성분을 알게 되면 물이 액체와 얼음, 수증기 중 어떤 상태로 존재할 수 있는지도 더 정확히 계산할 수 있다.
- 별빛 감소량 행성과 별의 크기 비율을 이용해 반지름을 구한다.
- 통과 시각의 변화 일곱 행성이 서로 끌어당기는 정도를 이용해 질량을 구한다.
- 평균 밀도 질량을 부피로 나눠 가능한 내부 물질을 추정한다.
- 대기 관측 대기의 압력과 성분을 알아내 물이 존재할 수 있는 상태를 계산한다.
거주가능지대에 있는 f에는 물이 있을까?
f는 거주가능지대에 있다. 이는 대기 조건이 알맞다면 표면에 액체 물이 존재할 수 있을 만큼 별빛을 받는다는 뜻이다. 대기가 거의 없다면 표면은 차갑고 낮과 밤의 온도 차가 클 수 있다. 반대로 온실효과가 강한 두꺼운 대기가 있다면 같은 양의 별빛을 받아도 표면이 훨씬 따뜻할 수 있다.
따라서 f를 바다가 있는 행성이라고 부르려면 낮은 밀도만으로는 부족하다. 대기가 실제로 있는지, 압력과 성분은 무엇인지, 물 분자의 흔적이 있는지, 표면 온도는 어느 범위인지가 함께 확인돼야 한다. 지금 확실히 아는 것은 질량과 반지름, 공전 궤도이며 바다와 얼음층, 대기의 존재는 아직 확인되지 않았다.
페이지에 보이는 바다와 얼음은 관측 사진이 아니라 이해를 돕기 위한 그림이다. 물 6.9%와 16.2%도 특정 내부 구조를 가정해 계산한 비율이며, 실제 물이나 바다를 발견했다는 뜻은 아니다.
출처
- NASA Exoplanet Archive — TRAPPIST-1 f
- The Planetary Science Journal — Masses, Radii, Densities and Dynamics
- Unterborn et al. — Uncertainties in the Interior of TRAPPIST-1 f
- NASA JPL — Possible Interiors of the TRAPPIST-1 Planets
- NASA Science — Hubble Constraints on TRAPPIST-1 f
- NASA Science — Webb Results for the TRAPPIST-1 System
- Nature Astronomy — The Resonant Chain of TRAPPIST-1