TRAPPIST-1 b의 낮과 밤은 얼마나 다를까?
TRAPPIST-1 b는 별을 약 1.51일마다 도는 가장 안쪽 행성이다. 한쪽 면을 늘 별 쪽으로 향한 채 돌 것으로 예상되므로, 대기가 없다면 낮 쪽은 계속 뜨거워지고 밤 쪽은 열을 거의 받지 못한다. 두꺼운 대기가 있다면 바람이 낮의 열을 밤으로 옮겨 두 면의 온도 차를 줄인다. Webb가 한 바퀴 도는 동안 행성이 내는 적외선을 재자 낮 쪽은 약 490K, 섭씨 약 217도로 나타났지만 밤 쪽의 열은 뚜렷하게 보이지 않았다. 지구 지표면의 기압과 비슷한 1bar보다 두꺼운 대기는 이 결과와 잘 맞지 않았다.
그렇다고 TRAPPIST-1 b에 기체가 한 분자도 없다고 확인한 것은 아니다. 매우 얇거나 현재 관측에서 흔적이 약한 대기는 남아 있을 수 있다. 지금 자료와 가장 잘 맞는 설명은 대기가 거의 없고 어두운 암석 표면이 낮의 열을 곧바로 우주로 내보낸다는 것이다.
- 약 1.5109일 중심별을 한 바퀴 도는 시간
- 약 172만km 별과 행성 사이의 평균 거리
- 지구의 약 1.37배 통과 시각 변화로 구한 행성 질량
- 지구의 약 1.12배 별빛을 가린 비율로 구한 행성 반지름
행성의 낮 온도는 어떻게 잴까?
행성이 별 옆에 있을 때 망원경에는 별빛과 행성 낮 쪽에서 나온 적외선이 함께 들어온다. 행성이 별 뒤로 완전히 숨으면 행성빛이 가려져 별빛만 남는다. 두 밝기의 차이를 재면 사진에서 별과 행성을 따로 보지 못해도 행성의 낮 쪽이 내는 열을 알 수 있다. 이를 이차식 관측이라고 한다.
2023년 Webb의 MIRI 장비는 파장 15μm의 적외선으로 행성이 숨는 모습을 다섯 번 관측했다. 행성이 숨을 때 전체 빛은 약 0.08% 줄었고, 여기서 약 500K, 섭씨 약 227도라는 밝기온도를 계산했다. 밝기온도는 특정한 빛에서 측정한 밝기를 온도로 바꾼 값이다. 행성 전체의 평균온도나 표면 모든 곳의 온도를 직접 잰 값은 아니다.
한 종류의 적외선으로 무엇을 알 수 있을까?
15μm 적외선에서 낮 쪽이 밝게 보인 결과는 대기가 없고 어두운 표면이 별빛을 많이 흡수한다는 설명과 잘 맞았다. 두꺼운 이산화탄소 대기가 있다면 이 적외선을 흡수하고 낮의 열을 다른 곳으로 옮겨 낮 쪽이 더 어둡게 보여야 했다. 2023년 결과가 두꺼운 대기가 없을 가능성을 처음 강하게 보여 준 이유다.
하지만 한 종류의 적외선만으로는 행성이 내는 열의 일부만 알 수 있다. 2024년에는 파장 12.8μm의 관측 다섯 번이 추가됐다. 두 종류의 적외선을 함께 보면 대기가 없고 철과 마그네슘이 많은 암석 표면이 자료와 잘 맞았다. 그러나 높은 연무층을 가진 두꺼운 이산화탄소 대기도 일부 조건에서는 같은 밝기를 만들 수 있었다. 어느 설명이 맞는지 두 종류의 적외선만으로는 정할 수 없었다.
행성이 별 뒤로 숨는 순간만 보면 낮 쪽의 열만 알 수 있다. 대기가 열을 밤으로 옮기는지는 행성이 한 바퀴 도는 동안 계속 관측해야 알 수 있다.
행성이 한 바퀴 도는 동안 열은 어떻게 달라질까?
행성이 별을 도는 동안에는 지구 쪽을 향하는 면이 계속 달라진다. Webb는 낮 쪽이 보일 때 얼마나 밝아지고 밤 쪽이 보일 때 얼마나 어두워지는지, 언제 가장 밝은지를 계속 기록했다. 이런 밝기 변화를 열 위상곡선이라고 한다. 대기가 열을 옮긴다면 밤 쪽에서도 적외선이 나오고, 가장 뜨거운 곳도 별을 정면으로 보는 지점에서 옆으로 이동할 수 있다.
2026년에 발표된 결과에서 낮 쪽 밝기온도는 490±17K, 섭씨 약 217±17도였다. 밤 쪽의 열은 뚜렷하게 보이지 않았고, 가장 밝아지는 시점도 눈에 띄게 옮겨지지 않았다. 낮의 열을 밤으로 널리 옮기는 두꺼운 대기보다, 낮 쪽 표면이 열을 바로 우주로 내보내는 암석 행성이라는 설명이 더 잘 맞았다. 지표면 기압이 약 1bar를 넘는 대기는 가능성이 크게 낮아졌다.
- 2023년 파장 15μm 관측 다섯 번으로 낮 쪽의 열과 약 500K의 밝기온도를 구했다.
- 2024년 파장 12.8μm 관측 다섯 번을 더했지만 암석 표면과 일부 두꺼운 대기가 모두 가능했다.
- 한 바퀴 전체 관측 낮에서 밤으로 이어지는 적외선 밝기 변화를 계속 기록했다.
- 2026년 분석 뜨거운 낮과 뚜렷하지 않은 밤 쪽 열이 두꺼운 대기의 가능성을 크게 낮췄다.
TRAPPIST-1 b에는 대기가 있을까?
현재 관측과 가장 맞지 않는 것은 낮의 열을 밤으로 잘 옮기는 두꺼운 대기다. 매우 희박한 대기나 적외선 흔적이 약한 기체까지 모두 없다고 말할 수는 없다. 대기가 얼마나 얇아야 하는지도 기체의 종류와 구름·연무, 표면이 별빛을 얼마나 반사하는지에 따라 달라진다.
행성이 별 앞을 지날 때의 별빛도 수소가 많은 두꺼운 대기는 없는 것으로 나타났다. 하지만 별점과 밝은 영역이 별빛을 크게 바꿔 더 무거운 기체로 된 얇은 대기가 있는지는 알 수 없었다. 별 앞을 지날 때와 별 뒤로 숨을 때, 한 바퀴를 도는 동안의 관측은 서로 다른 약점이 있다. 여러 방법이 같은 결론을 보일수록 대기에 관한 판단도 더 확실해진다.
표면의 재료와 나이는 어떻게 알아낼까?
질량과 크기로 계산한 평균밀도는 b가 암석이 주성분인 행성일 가능성과 맞는다. 두 종류의 적외선 밝기는 감람석과 휘석처럼 철과 마그네슘이 많은 암석 표면을 넣은 계산과 잘 맞았다. 하지만 가능한 재료를 비교한 결과일 뿐이다. Webb가 암석 조각을 분석하거나 표면 광물을 직접 발견한 것은 아니다.
표면이 정말 신선하다면 화산 활동이나 우주 풍화가 표면을 갱신하는 과정이 있을 수 있지만, 현재 자료만으로 어느 과정과 시점을 정할 수 없다. 반사율이 낮은 다른 암석이나 우주 풍화를 겪은 표면도 고려해야 한다. 페이지의 행성 그림에 보이는 용암·균열·색은 실제 지형을 촬영한 것이 아니다.
약 490K, 섭씨 약 217도는 파장 15μm의 적외선으로 구한 낮 쪽 밝기온도다. 행성 전체의 평균온도나 표면 최고온도, 밤 쪽 온도와 같지 않다. 현재 관측은 두꺼운 대기의 가능성을 크게 낮추지만 모든 얇은 대기와 표면 재료를 하나로 정하지는 못한다.
b를 관측하면 다른 행성 연구에 어떤 도움이 될까?
TRAPPIST-1 b는 거주가능지대보다 별에 훨씬 가깝고 지구보다 약 네 배 많은 에너지를 받는다. 생명 가능성을 우선 조사하는 행성이라기보다, 적색왜성 가까이에서 대기가 거의 없는 암석 행성이 어떤 적외선을 내는지 알아보는 대상이다.
b가 별 앞을 지날 때 얻은 자료는 e 같은 바깥 행성을 관측할 때 별점이 별빛에 남긴 변화를 찾는 비교 자료로도 쓰인다. b에 대기가 거의 없다는 설명이 더 확실해질수록 다른 행성의 대기가 남긴 작은 흔적과 별 자체의 변화를 구분하기 쉬워진다. b의 대기에 관한 결론은 한 번의 온도 측정에서 나온 것이 아니다. 서로 다른 두 종류의 적외선과 한 바퀴 전체의 밝기 변화를 차례로 비교한 결과다.
출처
- NASA Exoplanet Archive — TRAPPIST-1 b
- NASA Science — Webb Measures the Temperature of TRAPPIST-1 b
- Nature — Thermal Emission from TRAPPIST-1 b
- Nature Astronomy — Combined 12.8 and 15μm Eclipse Analysis
- Nature Astronomy — Thermal Phase Curves of TRAPPIST-1 b and c
- The Planetary Science Journal — TRAPPIST-1 Masses and Radii
- The Astrophysical Journal Letters — TRAPPIST-1 b Transmission and Stellar Contamination