출처: Ars Technica

과도한 열이 동반된 흐린 날씨

여기서 관찰된 차이점들이 행성 대기를 연구하는 방식을 혼란스럽게 만들 수 있습니다.

WASP‑94A b는 뜨겁고 조석 고정된 가스 거성으로, 지구에서 약 690광년 떨어진 이중성계의 한 별에 가깝게 공전하고 있습니다. 새로운 Science 연구에서, Johns Hopkins University의 천체물리학자 Sagnick Mukherjee가 이끄는 과학자 팀은 제임스 웹 우주망원경을 이용해 그곳의 날씨가 어떤 모습인지 조사했습니다.

“조석 고정이란 행성 전체에 걸쳐 낮·밤 온도 차이가 더 이상 순환하지 않게 된다는 뜻입니다. 우리는 이런 행성들의 대기가 정적인지, 역동적인지 이해하고 싶었습니다. 바람이 있나요? 구름이 있나요?” – Sagnick Mukherjee

그들의 팀은 WASP‑94A b에서 아침에는 구름이 끼고, 저녁에는 맑다는 것을 발견했습니다. 우리가 이미 이를 몰랐다는 사실은 이와 많은 다른 외계 행성들의 화학 구성을 크게 오해했을 가능성을 시사합니다.

평균화된 대기

WASP‑94A b는 질량이 목성의 절반보다 약간 작지만, 직경은 70 % 이상 더 큽니다.

“이는 행성의 밀도가 낮고, 대기가 우주 공간으로 더 멀리 뻗어 있어 관측이 쉬워진다는 뜻입니다.”라고 Mukherjee는 설명합니다.

천문학자들이 이런 대기를 연구할 때 보통 전이 분광법에 의존합니다. 행성이 별을 가릴 때 별빛이 대기를 통과하면서 남는 스펙트럼을 분석해 대기의 화학 조성을 추정합니다.

하지만 이 방법의 문제는 행성 실루엣 전체를 통과하는 빛이 평균화된다는 점입니다. 마치 대기가 균일한 구형 가스 구름인 것처럼 다루어지죠. 조석 고정된 행성에서는 이것이 큰 과단화가 됩니다.

조석 고정된 세계에서는 낮·밤 면 사이에 극심한 온도 차이가 있어 두 반구 사이에 대기 밀도 차이가 생깁니다. 이런 차이와 행성의 느린 자전에 의해 발생하는 코리올리 효과가 결합돼 적도 초회전 현상이 나타납니다—적도 부근의 바람이 행성 자체 회전보다 빠르게 동쪽으로 흐르는 현상입니다. 순환 모델은 이것이 바로 WASP‑94A b에서 일어나고 있다고 예측합니다.

• 아침 림 – 차가운 밤쪽에서 뜨거운 낮쪽으로 대기가 회전해 들어오는 행성 디스크의 앞쪽 가장자리.
• 저녁 림 – 가열된 낮 기체가 어두운 쪽으로 넘어가는 뒤쪽 가장자리.

이 과정을 움직이는 모습으로 포착하기 위해, Mukherjee와 동료들은 림‑해상도 분광법을 사용했습니다.

전이 절단

전이가 시작되고 끝날 때 행성이 별 가장자리를 완전히 가로지르는 데는 약간의 시간이 걸리므로, 망원경은 아침 림이 저녁 림보다 먼저 별빛을 차단하는 모습을 포착합니다. JWST의 **근적외선 이미지 및 슬릿리스 분광기(NIRISS)**를 이용해 팀은 WASP‑94A b가 전이하는 동안의 광곡선을 측정하고 신호를 분할했습니다. 이를 통해 외계 행성의 두 개별 화학 전이 스펙트럼—아침 림용과 저녁 림용—을 추출했으며, 두 스펙트럼은 현저히 달랐습니다.

아침 림

• 스펙트럼은 짧은 파장 쪽으로 상승하는 경사선을 보입니다.
• 이 경사는 고도 에어로졸(먼지와 구름 입자)이 대기의 깊은 층으로부터 빛을 차단하고 있음을 나타냅니다.

“고도에서 많은 먼지와 구름 입자를 볼 수 있을 겁니다.” Mukherjee는 말합니다. “더 깊이 들어가면 구름은 사라지고 물증기와 같은 가스를 발견하게 될 겁니다.”

저녁 림

• 스펙트럼에 에어로졸의 실질적인 증거가 거의 없습니다.
• 뚜렷한 물증기 피크가 나타나 대기 가스를 더 명확히 볼 수 있음을 시사합니다.

“이 경우는 구름을 거의 만나지 않는 시야이며, 보이는 것은 주로 물증기와 다른 가스, 어쩌면 이산화탄소 같은 것일 겁니다.” Mukherjee는 제안합니다.

대기 모델링

JWST 데이터를 컴퓨터 모델에 입력함으로써 팀은 WASP‑94A b의 날씨 엔진을 예측하고, 행성이 아침 림에서 저녁 림으로 회전하면서 대기 상황이 어떻게 변하는지 시각화했습니다.

적도 바람

WASP‑94A b의 평균 온도는 1,500 K를 초과하며, Mukherjee 팀은 저녁 림이 아침 림보다 약 450 K 더 뜨겁다는 것을 확인했습니다—이는 철이나 마그네슘 실리케이트 같은 에어로졸 물질을 증발시킬 정도입니다. 이 온도 차가 행성의 날씨 역학을 주도합니다.

• 밤쪽 응결:
  영구적인 밤쪽에서는 대기 가스가 액체 방울로 응결해 구름을 형성합니다.

• 적도 이동:
  “이 구름 입자들은 적도 바람에 의해 아침쪽으로 끌려갑니다.” Mukherjee가 설명합니다. 구름이 가열된 낮쪽으로 이동하면서 대부분의 방울이 증발합니다. 바람이 다시 저녁 림에 도달할 때쯤 구름은 거의 사라져 맑은 하늘만 남게 됩니다.

구름 vs. 연무

관측된 낮·밤 에어로졸 분포를 바탕으로 팀은 WASP‑94A b가 실제 구름을 가지고 있으며 연무는 아니라는 결론을 내렸습니다.

• 연무는 강한 자외선이 분자를 분해하면서 생성되는 광화학 스모그입니다.
• 연무는 자외선에 의해 형성되므로 영구적인 낮쪽에 주로 나타나야 합니다. 전지구 제트 흐름이 이를 저녁 림