우주 이야기 1631- 제임스 웹 우주 망원경이 밝힌 뜨거운 목성의 명암 경계면

 

(외계행성 WASP-121 b의 상상도입니다. 이 행성은 뜨거운 목성형 행성에 속합니다. 중심별에 매우 가깝기 때문에 행성의 자전은 공전 궤도에 조석 고정되어 있습니다. 그 결과, WASP-121 b의 한쪽 반구는 항상 중심별을 향하고 있어 최대 2,500도까지 가열됩니다. 반면, 밤쪽 반구는 항상 차가운 우주를 향하고 있어 온도가 1,775도 더 낮습니다. (이미지 제공: Patricia Klein 및 MPIA))

​(외계행성 WASP-121 b가 항성 주위를 공전하는 궤도를 위에서 본 모습입니다. 행성의 자전은 공전과 동기화되어 있으며, 두 운동 모두 약 30시간이 걸립니다. 따라서 행성은 항상 같은 면으로 항성을 향하고 있어 뚜렷한 낮과 밤이 나타납니다. 이 두 반구 사이의 경계면이 아침과 저녁 영역입니다. 행성이 중심 항성에서 불과 1.9배(항성 지름의 1.9배) 거리에 있기 때문에, 항성 통과 시 행성은 약 30도 정도 자전합니다. 이미지 출처: MPIA (CC BY 4.0))

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과학자들은 모항성에 바짝 붙어 공전하는 외계 행성인 뜨거운 목성형 행성을 다수 발견했습니다. 그중 하나인 WASP-121 b는 항성 지름의 1.9배에 불과한 거리에서 모항성을 공전하고 있으며 공전 주기도 30시간에 불과합니다. 이로 인해 공전과 자전주기가 같은 조석 고정 현상이 일어나 한쪽 면만 별을 바라보고 있습니다. 따라서 행성의 한쪽은 영원한 낮이고 반대는 영원한 밤입니다.

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그 결과 낮인 부분의 온도는 2770K (켈빈)이고 밤인 부분은 1000K 정도로 1775도 정도 차이가 발생합니다. 낮인 부분과 밤인 부분의 온도 차이가 엄청난 만큼 기압 차이에 의해 그 경계면인 명암 경계면에서는 강력한 바람이 불 것으로 예상됩니다. 그리고 에너지 이동에 따라 대기에 상당한 변화가 발생할 것으로 예측할 수 있습니다.

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독일 하이델베르크에 있는 막스 플랑크 천문학 연구소(MPIA)의 박사 과정 학생인 시릴 갭 (Cyril Gapp, a Ph.D. student at the Max Planck Institute for Astronomy (MPIA))이 이끄는 연구팀은 이전에 이론적 계산으로 예측되었던 이 현상을 제임스 웹 우주 망원경 (JWST)을 통해 실제로 관측했습니다. 이 연구 결과는 저널 네이처 천문학(Nature Astronomy) 에 발표되었습니다.

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연구팀은 WASP-121 b가 자전함에 따라 별빛 흡수량이 어떻게 변하는지 측정함으로써, 외계 행성의 대기를 시간대별로 확인했습니다. (사진 참조) 데이터에 따르면 저녁 명암 경계면이 아침 명암 경계면보다 더 많은 빛을 흡수하는데, 이는 강한 바람이 낮의 뜨거운 열을 밤 쪽으로 운반한다는 예측과 일치합니다. 뜨거운 바람은 자전을 따라 동쪽으로 이동하며 저녁 지역을 가열합니다. 기온이 상승함에 따라 저녁인 지역은 팽창할 수밖에 없으며, 이는 행성의 단면적을 증가시켜 별빛을 더 많이 흡수하게 됩니다.

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연구팀은 제임스 웹 망원경을 통해 이를 실제로 관측한 것은 물론 새로운 정보도 얻었습니다. NIRSpec (근적외선 분광기) 장비 로 얻은 데이터에 따르면, 일산화탄소(CO) 신호가 증가하는 현상이 나타났습니다. 그러나 이는 일산화탄소 분자 수의 증가가 아니라 온도 증가에 따른 신호 증가로 보입니다. 반면 수분 (H₂O) 의 양은 감소하는 것으로 나타났는데, 뜨거운 바람이 물 분자를 분해한 결과로 해석됩니다. 이 결과는 저녁 명암 경계면을 가열하는 뜨거운 바람의 존재를 다시 한번 뒷받침합니다.

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한편 이번 관측에서는 아침 명암 경계면의 온도가 생각보다 낮다는 점도 확인했습니다. 이는 구름의 존재를 시사하는데, 물론 WASP-121 b의 뜨거운 대기에서는 물방울이 아닌 규산염과 같은 광물로 구성된 구름이 존재할 것으로 예상됩니다. 이 구름은 아래쪽의 뜨거운 기체층에서 방출되는 적외선을 차단해 온도를 실제보다 낮아 보이게 만듭니다. 연구팀의 시뮬레이션 역시 이 가설을 지지합니다. 다만 당장에는 구름을 직접 측정하기 어렵습니다.

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제임스 웹 우주 망원경 덕분에 과학자들은 외계 행성의 대기가 단순히 '뜨겁다/차갑다'를 넘어, 어느 방향은 더 뜨겁고 화학 성분이 어떻게 변하는지 등 '입체적인 날씨 변화'를 직접 확인할 수 있게 됐습니다. 앞으로 과학자들은 더 많은 외계 행성에서 대기를 측정하고 기상 현상을 연구해나갈 계획입니다.

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참고

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https://phys.org/news/2026-06-jwst-reveals-dawn-dusk-atmosphere.html

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Atmospheric asymmetries in WASP-121 b revealed by rotational transits detected with JWST, Nature Astronomy (2026). DOI: 10.1038/s41550-026-02887-6

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