이 "금지된" 외계행성은 과학자들이 설명할 수 없는 대기를 가지고 있다.

작고 차가운 적색 왜성 주위를 공전하는 가스 행성 TOI-5205 b의 상상도. (사진 제공: 캐서린 케인, 카네기 과학 연구소)

제임스 웹 우주 망원경(JWST)의 새로운 관측 결과는 때때로 "금지된 행성"으로 불리는 매우 특이한 외계 행성 TOI-5205 b에 대한 새로운 통찰력을 제공하고 있습니다. 과학자들은 이 거대 행성의 대기에 모항성보다 무거운 원소가 더 적게 포함되어 있다는 놀라운 결과를 발견했는데, 이는 거대 행성 형성 초기 단계에 대한 연구자들의 이해를 바꿀 수 있는 중요한 발견입니다.

NASA 고다드 우주비행센터의 케일럽 카냐스가 이끄는 국제 연구팀이 카네기 과학의 슈밤 카노디아를 비롯한 여러 연구자들의 참여로 얻은 이번 연구 결과는 천문학 저널(The Astronomical Journal) 에 발표되었습니다.

작은 별 주위를 공전하는 거대 행성

TOI-5205 b는 크기가 목성과 비슷하지만 훨씬 작은 별 주위를 공전합니다. 이 별은 목성 크기의 약 4배이며 질량은 태양의 약 40%에 불과합니다. 행성이 별 앞을 지나갈 때 발생하는 "통과" 현상을 통해 별빛의 약 6%를 가립니다.

이러한 행성 통과 관측 동안 천문학자들은 분광기를 사용하여 별빛을 구성 색상으로 분해했습니다. 이 기술을 통해 행성 대기의 화학적 구성을 파악하고, 행성이 어떻게 형성되고 모항성과 함께 진화해 왔는지에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

행성 형성 이론에 대한 수수께끼

행성은 일반적으로 어린 별을 둘러싼 회전하는 가스와 먼지 원반 내에서 형성됩니다. 이러한 과정은 널리 받아들여지고 있지만, TOI-5205 b와 같은 시스템은 기존 모델에 의문을 제기합니다. 작고 차가운 별 주위를 가까운 거리에서 공전하는 질량이 큰 행성은 현재 이론으로는 설명하기 어렵습니다.

이러한 특이한 시스템을 연구하기 위해 카노디아, 카냐스, 그리고 탬파 대학교의 제시카 리비-로버츠는 JWST의 최대 규모인 2차 사이클 외계행성 프로그램인 '적색 왜성과 7대 거성'을 이끌고 있습니다. 이 프로젝트는 TOI-5205 b와 같은 희귀한 행성, 흔히 GEMS(M형 왜성 주위를 공전하는 거대 외계행성)라고 불리는 행성에 초점을 맞추고 있습니다.

JWST, 예상치 못한 대기 화학 현상 감지

TOI-5205 b는 2023년 NASA의 외계행성 탐사 위성(TESS) 데이터를 기반으로 한 후속 관측을 카노디아가 주도하면서 처음으로 존재가 확인되었습니다. 이제 연구진은 JWST를 사용하여 처음으로 이 천체의 대기를 자세히 조사했습니다.

세 번의 행성 통과를 관측한 결과, 연구팀은 예상치 못한 결과를 발견했습니다. 이 행성의 대기는 목성보다 수소 대비 중원소의 비율이 현저히 낮았습니다. 더욱 놀라운 것은 금속 함량이 모항성보다도 낮아, 지금까지 연구된 어떤 거대 행성과도 다르다는 점입니다.

또한 해당 데이터는 대기 중에 메탄(CH₄)과 황화수소(H₂S) 가 존재 함 을 보여주었습니다 .

무거운 원소들이 깊숙이 숨겨져 있을 수 있습니다.

이러한 연구 결과를 더 잘 이해하기 위해 취리히 대학교의 시몬 뮐러와 라비트 헬레드 연구원은 행성 내부의 정교한 모델을 사용했습니다. 그들의 연구 결과는 행성 전체의 금속 함량이 대기보다 약 100배 더 높다는 것을 시사합니다.

"우리는 행성의 질량과 반지름 측정값을 기반으로 계산한 행성 전체 구성 성분에 대해 모델이 예측한 것보다 훨씬 낮은 금속 함량을 관측했습니다. 이는 행성 형성 과정에서 무거운 원소들이 내부로 이동했고, 현재 행성 내부와 대기가 제대로 혼합되지 않고 있음을 시사합니다."라고 카노디아는 설명했습니다. "요컨대, 이러한 결과는 탄소가 매우 풍부하고 산소가 부족한 행성 대기를 암시합니다."

GEMS 설문조사 및 향후 연구

이 연구는 M형 왜성 주위를 공전하는 거대 행성의 형성과정, 내부 구조 및 대기를 더 잘 이해하기 위해 거대 행성을 연구하는 광범위한 GEMS 조사 프로젝트의 일환입니다. 연구팀에는 카네기 천문학자인 피터 가오, 조한나 테스케, 니콜 월랙과 카네기 연구소에서 박사후 연구원으로 활동하다 현재 버밍엄 대학교에 재직 중인 안잘리 피에트가 참여하고 있습니다.

이 책에는 존스 홉킨스 대학교 응용물리학 연구소, 대만 중앙연구원 천문천체물리학 연구소, 가톨릭 대학교, 메릴랜드 대학교, 캘리포니아 공과대학교, NASA 고다드 우주비행센터, 세인트 앤드류스 대학교, 펜실베이니아 주립대학교, 캘리포니아 대학교 어바인 캠퍼스, 타타 기초연구소, 암스테르담 대학교 등 여러 기관의 연구원들이 추가로 참여했습니다.

별의 흑점을 보정하면 정확도가 향상됩니다.

연구팀은 또한 중심별의 흑점으로 인한 간섭도 고려했습니다. 이러한 어둡고 활동적인 영역은 특정 파장을 밝게 하고 대기 신호의 일부를 가려 관측을 왜곡할 수 있습니다.

연구진은 이러한 효과를 보정함으로써 측정 정확도를 향상시켰습니다. 월락과 카노디아는 현재 동일한 시스템에 초점을 맞춘 새로운 JWST 프로젝트에서 이 접근 방식을 더욱 정교하게 다듬고 있습니다. 그들의 연구는 활동적인 별 주위를 공전하는 행성에 대한 향후 연구에서 더욱 신뢰할 수 있는 결과를 도출하는 데 도움이 될 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/04/260406192905.htm