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우주 이야기 1622 - 외계 행성의 표면을 조사한 제임스 웹 우주 망원경


 

(LHS 3844 b is a super Earth exoplanet that orbits an M-type star. Its mass is 2.25 Earths, it takes 0.5 days to complete one orbit of its star, and is 0.00622 AU from its star. Its discovery was announced in 2019. Credit: NASA)

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(Infrared spectrum of LHS 3844 b's hot dayside derived from the brightness contrast to its host star in ppm (parts per million = 0.0001%) at different wavelengths. The observational data obtained from the James Webb and Spitzer Space Telescopes (circles and squares) are consistent with mantle (solid orange line) or lava rock (dashed blue line), whereas they rule out an Earth-like crust (dash-dotted green line). Credit: Sebastian Zieba et al./MPIA)

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천문학자들이 제임스 웹 우주 망원경 (JWST)를 이용해 암석행성의 표면 구조를 확인했습니다. 막스 플랑크 천문학 연구소(MPIA, 독일 하이델베르크)의 전 박사 과정 학생이었던 세바스티안 지에바(Sebastian Zieba, 미국 하버드-스미소니언 천체물리학 센터)와 MPIA 소장이자 이번 연구의 책임 연구원인 로라 크라이드버그(Laura Kreidberg)가 이끄는 연구팀은 제임스 웹 우주 망원경에 탑재된 중적외선 장비(MIRI)를 사용하여 암석형 외계행성 LHS 3844 b의 표면 구성을 분석했습니다.

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LHS 3844 b는 지구보다 30% 큰 암석형 행성으로, 차가운 적색 왜성 주위를 약 11시간에 한 바퀴 공전합니다. 지구에서 거리는 48.5광년 정도로 비교적 가까운 거리에 있는 외계행성입니다. 질량은 지구의 2.25배, 공전 거리는 0.0062AU (대략 90만km) 입니다.

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모항성 표면에서 항성 지름의 세 배 정도 떨어진 곳에서 회전하기 때문에 지구와 달처럼 조석고정이 되어 있어, 한 바퀴 자전하는 데 걸리는 시간과 공전하는 데 걸리는 시간이 같습니다. 따라서 달처럼 LHS 3844 b의 한쪽 반구는 항상 항성을 향하게 되어 평균 온도가 약 1000켈빈(섭씨 약 725도)인 낮 부분을 유지합니다.

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제임스 웹 우주 망원경의 MIRI는 이 행성에서 방출되는 적외선(5~12마이크로미터)의 일부를 더 작은 파장 구간으로 나누고 각 파장 구간별 밝기를 측정했습니다. 그리고 연구팀은 몇 년 전 스피처 우주 망원경으로 관측하여 얻은 또 다른 데이터로 다른 파장을 보충해 분석했습니다.

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물론 그렇다고 해도 멀리 떨어진 외계 행성의 표면을 관측하는 일은 쉬운 일이 아닙니다. 다만 이 외계 행성은 대기가 없어서 표면을 직접 관측할 수 있습니다. 연구팀은 행성 표면에서 복사되는 적외선 파장을 별빛과 분리해서 그 표면 구성 물질에 대한 정보를 수집하고 이를 지구, 달, 화성에서 알려진 암석과 광물의 모델과 비교했습니다. 그 결과, 지구 지각과 유사한 구성, 즉 화강암과 같은 규산염이 풍부한 광물로 이루어져 있다는 가능성은 확실히 배제되었습니다.

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연구팀에 따르면 LHS 3844 b의 표면은 어두운 색이며 아마도 지구나 달의 현무암, 혹은 수성과 비슷한 표면을 시사하고 있습니다. 현무암이나 마그마 암석의 넓은 고체 영역이 관측 결과와 가장 잘 일치하는 것으로 보입니다. 그리고 이 암석들은 마그네슘과 철이 풍부하고 감람석을 포함할 수 있습니다.

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연구팀은 이 데이터와 잘 부합하는 두 가지 행성 표면 시나리오를 제시했습니다. 하나는 현무암이나 마그마 광물로 구성된 어둡고 단단한 암석이 표면을 이루는 시나리오입니다. 아마도 행성 표면이 광범위한 화산 활동과 같은 최근의 지질 활동에 의해 생성된 비교적 새로운 지형이라는 의미입니다. 모항성에 매우 가까운 위치를 생각하면 목성의 위성 이오처럼 화산 활동이 활발할 가능성도 배제할 수 없습니다.

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두 번째 시나리오는 수성과 비슷한 경우입니다. 행성 표면이 모항성에서 나오는 강하고 에너지가 높은 방사선과 다양한 크기의 운석 충돌로 인해 우주 풍화 작용을 받으면 단단한 암석을 천천히 녹여 달 표면에서 발견되는 미세한 알갱이나 가루 형태의 레골리스 층으로 만들 뿐만 아니라, 철과 탄소를 첨가하여 레골리스 층의 색을 어둡게 하여 관측 결과와 더욱 일치하는 특성을 나타낼 수 있습니다.

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연구팀의 가능성이 높다고 보는 것은 두 번째 시나리오입니다. 만약 화산 행성이라면 이산화황(SO₂)처럼 화산 활동과 연관된 가스가 나올텐데, MIRI는 아무것도 감지하지 못했습니다. 참고로 이오 역시 높이 150km에 달하는 거대한 화산분출물을 내뿜습니다. 따라서 최근 화산 활동기가 있었을 가능성은 낮아 보이며, LHS 3844 b는 이오보다는 수성과 매우 흡사한 모습을 하고 있을 것입니다.

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제임스 웹 우주망원경은 처음 목표한대로 외계 행성에 대해 많은 정보를 알아냈습니다. 하지만 그럼에도 아직은 극히 제한적인 정보만 확보할 수 있을 뿐입니다. 더 상세한 정보를 얻기 위해서는 더 강력한 망원경이 필요합니다. 당장에는 쉽지 않겠지만, 제임스 웹 우주 망원경의 후계자 역시 나와야만 하는 이유입니다.

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참고

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https://phys.org/news/2026-05-astronomers-explore-surface-composition-nearby.html

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The dark and featureless surface of rocky exoplanet LHS 3844 b from JWST mid-infrared spectroscopy, Nature Astronomy (2026). DOI: 10.1038/s41550-026-02860-3

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