제임스웹 망원경, 사상 첫 태양계 너머 달 찾는다 > cosmos

외계 행성을 공전하는 외계 위성(파란색)을 묘사한 그림. 과학자들이 제임스웹우주망원경을 이용해 사상 처음으로 외계 위성의 직접 관측에 나선다. 미 항공우주국 제공

행성보다 훨씬 식별 어려운 위성
3차년도 맞아 직접 관측에 도전


천문학자들이 제임스웹우주망원경(JWST)을 이용해 태양계 밖 행성을 공전하는 달을 찾아 나선다. 외계 행성이 아닌 외계 행성의 위성(Exomoon)을 직접 탐색하는 것은 처음이다.

외계 달은 외계 행성과 마찬가지로 생명체 존재 여부 탐색의 주요한 대상이 되는 천체다. 태양계에선 목성의 유로파, 토성의 엔셀라두스 등 얼음 위성 몇몇이 생명체 존재 가능성이 있는 후보에 올라 있다.

외계 달도 외계 행성 식별 방법과 마찬가지로 위성이 행성을 앞을 지나갈 때 행성이 조금 더 어두워지는 걸 이용해 찾는다(표면통과법). 그러나 행성 밝기의 변화 폭이 작아 기존 우주망원경의 관측 능력으로는 외계 달을 찾기가 어렵다. 게다가 행성이 중심별의 앞면을 통과할 때 위성이 행성 앞을 지나가야만 밝기의 변화를 감지할 수 있다는 제약도 있다. 2021년 지구에서 150만km 떨어진 우주 공간에 자리잡은 제임스웹우주망원경은 처음으로 이 특별한 임무를 수행할 수 있는 강력한 적외선 관측 능력을 갖고 있다는 평가를 받는다.

제임스웹우주망원경을 운영하고 있는 미국 우주망원경과학연구소(STScI)는 3차년도를 맞은 올해의 관측 대상에 외계 달을 포함시켰다고 최근 밝혔다.

연구소는 해마다 세계 천문학자들로부터 관측 계획서를 받은 뒤 심사를 거쳐 관측 시간을 부여한다. 올해는 세계 각국에서 1931개 제안서가 제출돼 253개가 선택됐다. 역대 가장 높은 8대1의 경쟁률이다. 선정된 관측 프로그램에는 1년간 총 5500시간의 관측 시간이 할당된다. 연구소가 2월29일 발표한 선정 결과에 따르면 253개 프로그램 중 외계 위성 탐색과 관련한 것이 5개다.

1110광년 거리의 목성 크기 행성에 큰 기대

이 가운데 뉴욕 컬럼비아대와 하버드대 관측팀이 제안한 2개가 외계 위성을 직접 탐색하는 것이다.

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우선 뉴욕 컬럼비아대 관측팀은 태양계에서 약 1110광년 떨어져 있는 케플러-167라는 이름의 별을 공전하는 행성 ‘케플러-167e’의 위성을 관측한다.

목성 크기 만한 이 행성은 1000일에 한 번씩 중심별 앞을 지나간다. 관측팀은 행성의 크기, 별과의 거리 등을 고려할 때 외계 위성을 식별하는 데 최적의 천체라고 말한다.

이 프로그램 책임자인 컬럼비아대 벤저민 카세세 연구원은 과학전문지 뉴사이언티스트에 “다음번 중심별 통과 시점인 오는 10월에 제임스웹우주망원경 관측을 통해 이 행성을 공전하는 위성을 찾아볼 계획”이라고 말했다. 주어진 관측 시간은 71.7시간이다.

하버드대 관측팀은 지구에서 약 100광년 떨어져 있는 적색왜성 토이(TOI)-700이 거느리고 있는 두 행성의 위성을 탐색한다. 관측팀은 두 행성의 크기가 지구와 비슷한 데다 별과의 거리도 거주 가능 구역에 있는 것으로 보아, 위성도 지구의 달과 비슷한 크기일 가능성이 있다고 보고 있다. 주어진 관측 시간은 22.5시간이다.

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미시간대의 매리 앤 림바흐 연구원은 뉴사이언티스트에 두 관측 프로그램이 외계 위성 탐색에서 중요한 이정표가 될 것이라고 기대감을 표명했다.

2022년 뉴욕 컬럼비아대 연구진이 발표한 외계 위성 후보 케플러-1708bi를 묘사한 그림. 그러나 막스플랑크태양계연구소는 2023년 말 외계 위성일 가능성이 낮다고 발표했다. 컬럼비아대 제공
2022년 뉴욕 컬럼비아대 연구진이 발표한 외계 위성 후보 케플러-1708bi를 묘사한 그림. 그러나 막스플랑크태양계연구소는 2023년 말 외계 위성일 가능성이 낮다고 발표했다. 컬럼비아대 제공
외계 행성 5600개…외계 달은 아직 발견 못해

나머지 3개 프로그램은 외계 위성을 직접 관측하지는 않는다.

하나는 떠돌이 행성의 주변 천체를 살펴보는 것이 주된 목표다. 주변 천체 중에 위성이 있을 수 있다.

나머지 둘 중 하나는 컬럼비아대 관측팀과 같은 행성을 관측하면서 추가 정보를 수집하는 프로그램이다. 마지막 하나는 두 행성의 충돌로 발생하는 시네스티아라는 이름의 뜨거운 물질이 만드는 도넛 모양 고리를 관찰한다. 과학자들은 지구의 달도 이런 방식을 통해 생겨났을 것으로 보고 있다.

천문학자들은 지난 30여년간 약 5600개의 외계 행성과 1만여개의 행성 후보를 찾아냈다. 그러나 아직까지 외계 위성을 발견한 적은 없다. 2018년 1000광년 거리의 행성 케플러 1625b와 2022년 5000광년 거리의 행성 케플러-1708b에서 위성 후보를 발견했다는 보고가 있었으나 2023년 말 독일 막스플랑크태양계연구소 과학자들은 데이터를 다시 검토한 결과 외계 행성의 위성일 가능성은 낮다고 발표했다.