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 제임스 웹 우주망원경, 암석형 슈퍼 지구 조사 준비 

2021년 12월 25일 발사된 제임스 웹 우주 망원경은 L2 지점에 무사히 안착한 후 몇 단계의 준비 작업을 거의 마무리 하고 있으며 거울 부분이 아름답다고 할 정도로 매우 정교하게 정렬되고 있으며 또한 여러 과학 장비들을 보정 하고 있는 중인데 이런 준비 작업들이 조만간 끝날것입니다.

몇 주 후 모든 준비가 끝나면  온전한 관측을 시작 할 것이며  여름쯤에 첫 번째 관찰 결과가 공개된 직후 우주 망원경의 심층 관측이 시작될것입니다.

첫 해에 계획된 조사 중에는 우리 지구와 크기가 비슷하며 더불어 암석으로 이루어져 있어 "슈퍼 지구"로 분류된 두 개의 외계행성, 즉 용암으로 덮였을것으로 추정되는 55 Cancri e와 공기가 없을 것으로 추정되는  LHS 3844 b에 대한 연구가 포함되어 있습니다.

연구원들은 은하계 행성의 지질학적 다양성과 지구와 같은 암석 행성의 진화를 이해하기 위해 이 행성들에  대한 제임스 웹 우주망원경의 고정밀 분광기를 훈련할 것이라고 합니다.

아주 뜨거운 슈퍼 지구 -  55 Cancri e

55 Cancri e는 우리 태양계에서 가장 가까이 돌고 있는 수성보다 훨씬 더 가깝게 모 항성(수성과 태양 사이 거리의 25분의 1)을 돌고 있는 행성으로 공전 주기가 18시간 이내인것으로 알려지고 있습니다. 이 행성은 전형적인 암석형 행성이지만 모 항성에 너무 가까이서 공전하고 있기 때문에  행성의 표면 온도가 엄청나게 높으며 이로 인해 행성의 낮에 해당하는 쪽은 용암의 바다로 덮인 것으로 생각되고 있습니다.

과학자들은 항성 가까이에서 공전하는 행성은 한쪽 면이 항상 항성을 향하도록 하여 조석 고정된 것으로 가정하고 있습니다. 이것은 마치 우리 지구와 달의 관계에서 확인할 수 있는 부분입니다. 결과적으로 행성에서 가장 뜨거운 지점은 별을 가장 직접 마주하는 지점이어야 하며, 낮에 모 항성으로 부터 오는 열의 양은 시간이 지남에 따라 크게 변하지 않아야 합니다.

그런데 이것은 약간 다른 사실이 드러났습니다. NASA의 스피처 우주 망원경으로 관측한 55 Cancri e에 따르면 가장 뜨거운 영역은 모 항성을 가장 직접 마주하는 부분에서 오프셋되어 있지만 낮에 감지된 총 열량은 약간씩 다른것으로 나타났습니다.

이러한 관측에 대한 원인중에서 한 가지 이유는 행성이 주변으로 열을 이동시키는 역동적인 대기를 가지고 있다는 것입니다. 제임스 웹 우주 망원경의 근적외선 카메라(NIRCam) 와 중적외선 기기(MIRI ) 를 사용할 팀을 이끌고 있는 NASA 제트 추진 연구소의 Renyu Hu는  "55 Cancri e는 산소나 질소가 지배하는 두꺼운 대기를 가질 수 있습니다."라고  설명 했습니다.

행성의 낮 쪽의 열 방출 스펙트럼을 촬영해 연구한 그는 "대기가 있는 경우 제임스 웹 망원경이 이를 감지하고 구성 요소를 결정할 수 있는 감도와 파장 범위를 가지고 있습니다."라고 덧붙였습니다.

또 다른 흥미로운 가능성중에 한가지는 55 Cancri e가 조수로 잠겨 있지 않다는 것입니다. 대신에 수성처럼 두 궤도마다 세 번 회전할 가능성입니다.(3:2 공진이라고 함). 결과적으로 행성은 낮과 밤의 순환을 갖게 되어 그런결과를 가져오게 될 수 있다는 것입니다.

행성을 연구하는 다른 팀을 이끄는 스톡홀름 대학의 알렉시스 브랜데커(Alexis Brandeker) 연구원은 "그것은 행성의 가장 뜨거운 부분이 이동하는 이유를 설명할 수 있다. 지구와 마찬가지로 표면이 데워지는 데 시간이 걸리며 하루 중 가장 더운 시간은 정오가 아니라 오후일 것입니다.”라고 설명했습니다.

Brandeker의 팀은 NIRCam을 사용하여 이 가설을 테스트하여 4개의 다른 궤도에서 55 Cancri e의 밝은 쪽에서 방출되는 열을 측정할 계획이며 만약 행성이 3:2 공명을 갖는다면 그들은 각 반구를 두 번 관찰하고 반구 사이의 차이를 감지할 수 있어야 합니다.

이 두번째 시나리오에서 행성의 표면은 낮 동안 엄청나게 가열되어 녹을 것이며, 심지어 증발하여 제임스 웹 망원경이 감지할 수 있을 정도로 매우 얇은 대기를 형성하게 될것입니다. 그리고  저녁에는 증기가 식고 응결되어 표면으로 다시 비가 내리는 용암 방울을 형성하고 밤이 되면 그 표면이 완전히 식어 다시 단단해 지게 될것이라고 설명했습니다.

약간 덜 뜨거운  슈퍼 지구 -  LHS 3844 b

제임스 웹 우주 망원경이 관측하게 될 또 하나의  외계 행성은 LHS 3844 b로 이 행성 역시 모 항성에 아주 가까이서 공정하고 있으며 공전주기는 대략 11시간 밖에 되지 않는다고 합니다.

그러나 55 Cancri e가 용암으로 뒤덮인 아주 뜨거운 행성일 가능성이 높은 반면에 LHS 3844 b 상대적으로 작고 차갑기 때문에 행성의 표면은 녹지 않고 암석형태를 유지하고 있을 것으로 보고 있습니다. 또한 Spitzer 망원경의 관측에 따르면 이 행성에 대기가 있을 가능성은 매우 낮습니다. 

제임스 웹 우주 망원경을  사용하여 LHS 3844 b의 표면을 직접 이미지화할 수는 없지만 모호한 대기가 없기 때문에 분광학으로 표면을 심층 연구할 수 있습니다.

막스 플랑크 천문학 연구소의 로라 크레이드버그(Laura Kreidberg)는 "암석 종류에 따라 스펙트럼이 다르다는 것이 밝혀졌기 때문에 화강암이 현무암보다 색이 더 밝다는 것을 눈으로 확인할 수 있습니다. 암석이 방출하는 적외선에도 비슷한 차이가 있습니다.” 라고 설명했습니다.

Kreidberg의 팀은 MIRI를 사용하여 LHS 3844 b의 낮 쪽의 열 방출 스펙트럼을 쵤영한 다음 이를 현무암 및 화강암과 같은 알려진 암석의 스펙트럼과 비교하여 이 행성의  구성 암석을 확인할 예정입니다. 만약에 행성이 화산 활동을 하고 있다면 스펙트럼은 미량의 화산 가스의 존재를 드러낼 수도 있습니다.

현재까지 우리 은하계에서 외계 행성을 찾기 위한 많은 노력이 있었으며 이미 관측 확인된 것만 5,000개 이상입니다. 지구와 같은 행성에 대한 새로운 관점을 제공하여 초기 지구가 오늘날과 같이 뜨거웠을 때 어땠는지 연구하는데 도움이 될 것으로 보고 있습니다.

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