태양계 밖 천체서 '물 구름' 두께 변화 첫 확인…제임스웹, 7광년 거리 갈색왜성 관측

미국 애리조나대학교와 텍사스대학교 오스틴캠퍼스 등 공동 연구진이 제임스웹 우주망원경으로 갈색왜성 'WISE 0855'를 관측해, 상층 대기의 물 구름이 두꺼워졌다 얇아지기를 반복한다는 연구 결과를 최근 공개했다. 연구진은 태양계 밖 천체에서 물 구름의 두께 변화가 직접 확인된 것은 이번이 처음이라고 설명했다.

논문은 논문 사전공개 사이트 아카이브(arXiv)에 '가장 차가운 갈색왜성의 물 구름과 화학적 변조(Water Cloud and Chemical Modulations in the Coldest Brown Dwarf)'라는 제목으로 공개됐다. 애리조나대에 따르면 이 논문은 국제학술지 '천체물리학 저널(The Astrophysical Journal)'에 실릴 예정이다.

지구에서 네 번째로 가까운 '실패한 별'

WISE 0855는 행성보다 무겁지만 별처럼 수소 핵융합을 일으키지는 못하는 갈색왜성이다. 미국 항공우주국(NASA)의 광시야 적외선 탐사위성(WISE) 자료에서 발견돼 2014년 처음 발표됐고, 태양계에서 네 번째로 가까운 항성·준항성계로 꼽힌다. 거리는 약 7.4~7.5광년이다.

지금까지 알려진 갈색왜성 가운데 가장 차가운 천체이기도 하다. 이번 연구진의 분석에서 대기 온도는 약 265K, 섭씨로 영하 8도 안팎으로 나왔다. 질량은 목성의 몇 배 수준으로 추정되지만 연구마다 추정치에 차이가 있다.

15분 간격으로 11시간…구름 두께가 출렁였다

논문에 따르면 연구진은 2023년 12월 2일 제임스웹의 근적외선 분광기(NIRSpec)로 약 11시간 동안 WISE 0855를 연속 관측했다. 15분마다 스펙트럼을 한 장씩, 모두 44장을 얻어 시간에 따른 빛의 변화를 추적했다.

분석 결과 상층 대기의 물 구름은 고르게 덮인 것이 아니라 군데군데 끼어 있는 형태였고, 천체가 자전하는 동안 그 두께가 바뀌었다. 연구를 이끈 브리타니 마일스 애리조나대 스튜어드천문대 연구원은 "가까운 천체에서 물 구름이 얇아지고 두꺼워지는 것을 확인할 수 있었던 것은 이번이 처음"이라고 말했다.

깊은 곳의 가스도 함께 요동

구름만 변한 것은 아니었다. 논문에 따르면 가장 큰 변화를 보인 것은 일산화탄소 흡수였고, 포스핀(인화수소)과 이산화탄소 농도도 파도처럼 오르내렸다. 일산화탄소와 포스핀의 변화는 서로 연동돼 움직였다.

연구진은 이 같은 화학 성분의 변화는 대기 깊은 곳에서 대류로 끌어올려진 가스에서, 물 구름의 두께 변화는 그보다 압력이 낮은 상층에서 각각 비롯된다고 해석했다. 서로 다른 높이에서 두 가지 과정이 동시에 일어나고 있다는 설명이다. 자전 주기는 이번 관측만으로 확정하지 못했다.

엇갈렸던 '구름 유무' 논쟁에 새 근거

WISE 0855에 물 구름이 있는지는 발견 이후 꾸준히 논쟁거리였다. 발견 직후 과학계는 물 성분의 구름이 있을 가능성이 크다고 내다봤지만, 앞선 제임스웹 관측 일부에서는 구름 없는 대기 모형이 관측값과 잘 맞는다는 결과가 보고되기도 했다. 이번 연구는 시간에 따른 변화를 추적해 구름의 존재와 변동을 함께 제시했다는 점에서 의미가 있다.

공동 저자인 마크 말리 애리조나대 달·행성연구소장은 갈색왜성의 대기를 관측하는 일을 두고 "방충망을 통해 세상을 보는 것과 같다"고 비유했다. 연구진은 이번 결과가 목성형 외계행성처럼 차가운 천체의 날씨를 이해하고, 장기적으로는 외계 천체의 기상 환경을 예측하는 연구에 쓰일 수 있을 것으로 기대했다.