적외선 관측으로 포착한 가장 선명한 모습의 HR 8799 다중 행성계. / NASA, ESA, CSA, STScI

미국 항공우주국 NASA의 제임스웹 우주망원경이 젊은 거대 외계 행성들을 포착하면서, 이산화탄소의 존재를 확인했다. 이번 발견으로 외계 행성의 대기 조성을 연구하고, 행성 형성 과정을 이해하는데 큰 진전이 있을 것으로 기대된다.

미국 존스홉킨스대 윌리엄 발머 연구원(박사과정) 연구팀이 제임스웹 우주망원경(JWST)의 근적외선카메라(NIRCam)로 HR 8799와 주변 행성들을 촬영, 대기에 많이 포함된 이산화탄소(CO₂)를 확인했다고 스페이스닷컴 등 과학매체들이 18일 보도했다. .

공개된 사진에는, 지구에서 130광년 떨어진 젊은 이 행성계는 HR 8799 b, c, d, e 네 개의 흐릿한 점으로 나타났고, 중심 별(HR 8799)의 빛은 코로나그래프(밝은 천체 주변의 희미한 천체 관측용 특수 망원경)로 차단됐다. 또 HR 8799 행성들의 대기에서 이산화탄소가 풍부하게 탐지됐다. 이들 외계 행성이 목성과 토성처럼 '핵 강착(core accretion)' 과정을 통해 형성되었음을 보여준다고 연구팀은 설명했다. 핵 강착은 고체 핵이 서서히 형성되며 주변의 가스를 끌어당기는 방식으로 행성이 만들어지는 과정이다.

제임스웹은 2022년 700광년 밖의 가스 행성 'WASP-39 b'가 중심별 앞을 지날 때 대기가 별빛을 어떻게 변화시키는지를 분석하는 간접적인 방법으로 이산화탄소를 감지한 적이 있다. 제임스웹이 외계 행성 대기의 화학 성분을 이미징으로 추론할 수 있음을 확인한 것이다. 이 기술은 제임스웹의 강력한 분광 장비를 보완하며, HR 8799 행성들의 대기에서 이산화탄소와 같은 분자를 탐지하는 데 성공했다.

HR 8799 행성들은 무거운 원소가 다량 포함되어 있다. 윌리엄 발머 연구원은 이 행성들의 대기에 탄소, 산소, 철과 같은 무거운 원소가 상당량 존재한다고 밝혔다. 행성 형성 과정이 핵 강착에 의한 것임을 시사하는 대목이다.

약 3000만 년 된 HR 8799 시스템은 태양계(46억 년)에 비하면 매우 젊으며, 외계행성들이 적외선을 강하게 방출하고 있어 과학자들이 행성 형성 과정을 별이나 갈색 왜성과 비교하며 데이터를 수집할 수 있게 한다.

거대 행성이 핵 강착 또는 원반 불안정성(가스가 빠르게 뭉치는 방식)으로 형성될 수 있다는 두 가지 가설을 바탕으로, 연구팀은 어떤 방식이 일반적인지 알아내면 외계행성 유형을 구분할 단서를 얻을 수 있다고 보았다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 '천체물리학 저널(the Astrophysical Journal)'에 실렸다.