TRAPPIST-1 h의 공전 주기는 어떻게 알아냈을까?
TRAPPIST-1 h는 2016년 Spitzer 우주망원경 자료에서 별 앞을 한 번 지나가는 모습이 발견됐다. 한 번의 통과만으로는 공전 주기를 알 수 없다. 연구진은 안쪽 행성들의 공전 주기 관계를 이용해 가능한 주기 여섯 개를 먼저 계산했다. 과거 지상 관측에서 그중 다섯 개를 제외한 뒤, 79일 동안 이어진 K2 관측에서 약 18.77일 간격의 통과 네 번을 찾아 주기를 확인했다.
- 약 18.77일 반복 통과로 확인한 공전 주기
- 79일 K2가 TRAPPIST-1을 연속 관측한 기간
- 4번 K2 자료에서 찾은 h의 추가 통과
- 약 173K 섭씨 약 영하 100도에 해당하는 계산 온도
통과를 한 번만 보면 무엇을 알 수 있을까?
행성이 별 앞을 지나면 별빛이 얼마나 줄었는지에서 반지름을 계산하고, 빛이 줄어든 시간에서 통과에 걸린 시간을 구할 수 있다. 그러나 다음 통과를 보지 못하면 한 바퀴 도는 데 며칠이 걸리는지는 정해지지 않는다. 관측하지 않은 사이에 행성이 한 번 돌았는지, 두 번이나 세 번 돌았는지 알 수 없기 때문이다.
처음 발견한 연구에서는 Spitzer가 포착한 통과 시각과 지속 시간을 이용해 주기를 약 20일로 추정했다. 하지만 가능한 범위는 14일에서 35일 정도로 넓었다. 반복 통과를 재서 얻은 값이 아니라 별과 궤도의 크기를 가정해 계산한 범위였기 때문이다.
가능한 공전 주기를 어떻게 좁혔을까?
TRAPPIST-1의 안쪽 여섯 행성은 서로 일정한 관계를 유지하며 돈다. 이웃한 행성들이 같은 시간 동안 도는 횟수를 비교하면 작은 정수의 비율에 가까운데, 이런 관계를 공명이라고 한다. 연구진은 f와 g, h도 비슷한 관계에 있다고 가정해 h에 가능한 공전 주기를 계산했다.
계산 결과 13.941일부터 39.026일까지 후보 여섯 개가 나왔다. 연구진은 Spitzer 관측보다 앞서 지상에서 약 1,000시간 동안 모은 자료를 다시 확인했다. 후보 다섯 개가 맞다면 특정 시각에 별빛이 줄어야 했지만 실제로는 그런 변화가 없었다. 18.766일 후보가 예측한 통과 시각에는 관측 자료가 없어서 이 후보만 남았다. 이때의 18.766일은 가장 가능성 높은 예측이었을 뿐, 반복 관측으로 확인한 값은 아니었다.
행성들의 공명 관계는 가능한 주기를 여섯 개로 줄였다. 실제 주기는 K2가 같은 간격으로 반복된 통과를 관측한 뒤에야 확인됐다.
K2 관측은 어떤 주기를 확인했을까?
K2는 2016년 12월부터 2017년 3월까지 TRAPPIST-1을 79일 동안 관측했다. 중간에 망원경이 안전 모드로 들어가 닷새 동안 자료가 끊겼고, 자세를 조절하는 장치의 고장으로 생긴 흔들림도 보정해야 했다. 연구진이 보정된 밝기 자료를 살펴보자, 18.766일 간격으로 예상한 네 시각마다 Spitzer에서 본 것과 깊이와 모양이 비슷한 통과가 나타났다.
연구진은 결과를 예상 시각에 억지로 맞춘 것은 아닌지도 확인했다. b부터 g까지 이미 알려진 통과를 자료에서 뺀 뒤 h의 주기를 미리 정하지 않고 검색해도 약 18.77일 간격의 신호가 가장 강했다. 다른 분석 방법으로도 같은 통과 네 번을 찾았다. 통계 비교에서도 h를 포함한 일곱 행성 모형이 h를 뺀 모형보다 자료를 훨씬 잘 설명했다. Spitzer의 첫 통과와 K2의 네 통과가 이어지면서 공전 주기는 18.767일로 확인됐다.
- Spitzer 단일 통과 h의 크기와 통과 시각은 알 수 있었지만 공전 주기는 알 수 없었다.
- 공명 관계 계산 f·g의 공전 주기와 맞을 수 있는 후보 여섯 개를 구했다.
- 지상 자료 재검토 통과가 없었던 시각을 이용해 후보 다섯 개를 제외했다.
- K2 반복 관측 약 18.77일 간격으로 네 번의 통과를 찾아 주기를 확인했다.
TRAPPIST-1 h의 계산 온도는 무엇을 뜻할까?
NASA 목록에 따르면 h의 반지름은 지구의 약 0.755배이고 질량은 약 0.326배다. 일곱 행성 중 가장 작고 가벼우며, 중심별에서 약 927만km 떨어져 돈다. 2017년 연구가 제시한 평형온도 173K는 섭씨 약 영하 100도다. 이 값은 행성이 받은 별빛과 내보내는 열이 균형을 이룬다고 보고 계산한 온도이며, 표면에서 온도계로 잰 값이 아니다.
같은 연구에서 h가 받는 에너지는 1㎡당 약 200W로 계산됐다. 연구에 사용한 질소·이산화탄소·수증기 대기 모형에서는 이 에너지가 표면의 액체 물을 유지하기에 부족했다. 이산화탄소도 차가운 곳에서 얼어 대기 중 양이 줄어들 수 있었다. 그러나 실제 반사율과 대기압, 구름, 표면 온도는 측정되지 않았다. 따라서 이 결과는 특정 조건을 넣은 계산이며 h의 실제 기후를 확인한 것은 아니다.
Webb로 대기를 찾을 때 별의 변화는 어떻게 가려낼까?
NASA가 2026년 1월에 정리한 자료에 따르면 Webb는 h를 관측했지만 분석 결과는 아직 나오지 않았다. 중심별 표면의 어두운 얼룩과 폭발은 빛의 색마다 별의 밝기를 다르게 바꾼다. 이런 변화가 행성 대기의 흔적처럼 보일 수 있으므로, 약 18.77일마다 일어나는 여러 통과에서 같은 분자의 흔적이 반복되는지 확인해야 한다.
h의 공전 주기를 알아낸 과정에서는 계산과 관측이 서로 다른 역할을 했다. 공명 관계로 관측할 시각을 예측하고, 과거 자료에서 맞지 않는 후보를 제외한 다음, K2의 반복 통과로 주기를 확인했다. 하지만 대기와 표면 환경은 아직 반복 관측으로 확인되지 않았다.
페이지에 보이는 얼음과 구름은 관측 사진이 아니라 이해를 돕기 위한 그림이다. 18.77일 주기는 반복 통과로 확인됐지만, 173K는 단순한 조건으로 계산한 값이다. 대기와 얼음, 액체 물, 실제 표면 온도는 확인되지 않았다.
출처
- NASA Science — TRAPPIST-1 h Catalog
- Nature — Seven Temperate Terrestrial Planets
- Nature Astronomy — A Seven-planet Resonant Chain
- The Planetary Science Journal — Masses, Radii, Densities and Dynamics
- Astronomy & Astrophysics — Climate and Volatile Models
- NASA Science — Kepler and K2 Mission
- NASA Science — Webb Results for the TRAPPIST-1 System