적외선으로 바라본 지구 밖 태양계 행성 '화목토천해'[코스모스토리]

편집자 주

'넓은 세상'을 바라봅니다. 기술 발전으로 인식과 터전을 넓히는 '인류의 노력'을 바라봅니다. 지구를 넘어 광활한 우주에 대한 이야기, '코스모스토리' 시작합니다.

제임스 웹 상상도. NASA's James Webb Space Telescope 캡처

태양과 지구의 중력이 상쇄되는 라그랑주 2점(L2). 그곳에서 미지의 우주를 적외선으로 자세히 바라보는 제임스 웹 우주망원경(James Webb Space Telescope, JWST)이 있습니다.

지난해 7월 처음으로 풀컬러 이미지를 공개해 전세계를 놀라게 한 이래로 제임스 웹은 고성능 적외선 관측으로 우리가 지금까지 알아왔던 우주의 모습을 마치 라식수술을 한 것처럼 보다 새롭고 보다 자세한 모습을 보여줬습니다.

은하와 성운, 새로운 항성을 수도 없이 관측했고 이론적으로나마 짐작한 천체의 모습을 실제 관측으로 확인하면서 천문학자들은 열광하며 감동하는 시간을 보내왔습니다.

아득하게 머나먼 천체들을 관측하면서 문득 우리는 떠올리게 됐습니다. 태양계 천체, 보이저가 지나가고 카시니와 주노 탐사선이 관측해온 태양계 외행성들, 우리가 진출하려는 화성 등 태양계 행성을 제임스 웹이 바라본다면 어떨지를 말입니다.

이에 제임스 웹 우주망원경을 관리하는 우주망원경과학연구소(Space Telescope Science Institute, STScI)는 22-23시즌에 해당하는 과학관측(Cycle 1) 일정을 구성하는 과정에서 태양계 행성 관측일정을 다수 포함시켰습니다.

인류의 목적지 화성을 바라본 제임스 웹

제임스 웹으로 관측한 화성 이미지. NASA, ESA, CSA, STScI, Heidi Hammel (AURA), Mars JWST/GTO Team

지난해 9월 5일 제임스 웹은 근적외선 카메라(NIRCam)를 이용해 화성을 깜짝 관측했습니다. 지구와 가까운 화성은 다른 행성 대비 탐사가 활발히 이뤄지고 있어 화성의 이미지는 널리 공유되고 있습니다. 하지만 적외선으로 화성을 관측한 사례는 거의 없습니다.

제임스 웹은 본래 수십~수백억광년 떨어진 별을 정밀하게 관측하도록 설계된 기기로 상대적으로 가까운 화성을 관측하기엔 피사체가 너무 가까워 관측에 적합하지 않습니다. 이에 따라 제임스 웹이 과연 화성을 제대로 관측해낼지 학계의 관심이 모아지기도 했습니다. 하지만 관측 결과물을 확인한 순간, 우리들의 우려는 감탄으로 바뀌었습니다. 제임스 웹의 근적외선 카메라는 화성의 이미지를 상세하게 담아냈을 뿐더러 센서의 높은 민감도를 통해 행성표면의 빛반사 및 온도 특성을 상세하게 잡아냈습니다.

이러한 관측이 가능한 데는 제임스 웹 관측 방법의 조정 덕분에 가능했습니다. 미국항공우주국(NASA)는 관측물 공개 당시 성명을 통해 "제임스 웹은 화성의 먼지폭풍, 날씨패턴, 계절적 변화 등 다른 시간에 발생하는 낮과 밤 일몰 등의 현상까지 관측할 수 있었다"고 밝혔습니다.

실제로 공개된 화성이미지는 우리가 흔히 보는 포트레이트 이미지가 아닌 적외선의 단파장과 장파장으로 촬영된 결과물입니다. 세 이미지 중에서 우선 왼쪽에 보이는 가장 행성이미지와 비슷해 보이는 것은 실제 촬영한 이미지라기보단 데이터 관측으로 시뮬레이션한 화성 이미지 입니다. 여기서는 반사된 빛에서 인식할 수 있는 화성의 지형적 특성과 표면색상을 보여주는데요. 어두운 화산지역 '시르티스 메이저(Syrtis Major)', 충돌 분화구 '하위헌스(Huygens) 분화구', 그리고 화성의 가장 큰 충격 구조인 '헬라스 분지(Hellas Basin)'가 잘 표현돼 있습니다. 그리고 이미지 내 파란색 박스는 우측 상단의 이미지 영역을 표시한 것입니다.

해당 영역의 이미지는 제임스 웹의 F212필터를 활용해 2.1마이크론 파장, 즉 단파장으로 촬영된 화성 표면의 모습입니다. 여기에는 시르티스 메이저의 화산암 색상, 호이겐스 분화구의 밝은 고리, 먼지 고리 층으로 덮여있는 헬라스 분지 등이 선명히 표시돼 있습니다.

끝으로 오른쪽 하단에는 F430M 필터를 활용해 4.3마이크로미터 파장(장파장)을 이용해 방출되는 빛의 모습을 보여줍니다. 마치 열화상 이미지 같은 모양의 이 이미지는 위도와 시간에 따른 온도차이와 대기효과로 인한 어두워짐을 보여줍니다. 측정된 화성 표면의 밝기는 노란색의 남반구 부분이 가장 높고 겨울을 보내고 있는 북반구와 저녁 때인 서반구로 가면 갈수록 급격하게 감소하는 모습을 보이고 있습니다.

화성을 거쳐나온 빛을 분석한 자료. NASA, ESA, CSA, STScI, Mars JWST/GTO Team

제임스 웹은 화성의 표면을 관측하면서 동시에 근적외선 분광기(NIRSpec)를 활용해 화성 표면과 대기의 상태를 근적외선 스펙트럼으로 촬영하기도 했습니다.

공개된 분광 데이터를 살펴보면 분광 데이터는 흰색으로 표시됐고 가장 적합한 모형은 중간중간 보라색으로 표시됐습니다. 이 스펙트럼은 화성의 표면과 대기에서 반사된 햇빛과 화성에서 열을 발산할 때 방출되는 빛의 조합된 상태를 보여줍니다. 특히 그래프를 보면 깊은 골짜기 모양의 모습이 종종 보이는데요. 이 현상은 이산화탄소, 물, 일산화탄소 등의 가스에 의해 빛이 차단됐을 때 빛이 흡수돼 나타나는 모습입니다.

목성의 오로라와 고리를 담아낸 제임스 웹

제임스 웹이 관측한 목성의 모습. NASA, ESA, CSA, Jupiter ERS Team; image processing by Judy Schmidt.

제임스 웹은 태양계서 2번째로 큰 천체 목성을 자세히 바라봤습니다. 사실 인류는 목성을 여러번 관측했습니다. 보이저호를 통해 그 거대한 규모와 이질적인 대기의 모습, 엄청난 존재감의 대적반까지 관측한 바 있죠. 이후 2016년부터는 주노 탐사선이 지금까지 목성궤도를 공전하면서 다양한 목성의 모습을 관측하고 있습니다. 하지만 우리는 호기심이 생겼습니다. 적외선 관측을 하는 제임스 웹이 목성을 관측하면 어떻게 보일까 였습니다. 어쩌면 첫 풀컬러 이미지를 공개했을 때의 감동처럼 지금까지는 보지 못했던 목성의 다른 모습을 보여줄지도 모르는 일이었습니다.

이에 나사는 지난해 8월 제임스 웹의 목성을 관측한 결과물을 공개했고 천문학계는 지금까지 못한 목성의 모습에 감탄할 수 밖에 없었습니다. 우선 공개된 이미지에서 한눈에 보이는 것은 목성의 오로라입니다. 북극과 남극 모두 높은 고도까지 형성돼있고 제임스 웹의 다양한 필터를 통해 여러 파장의 오로라 빛을 확인할 수 있습니다.

또한 목성의 시그니처인 대적반은 적외선 관측에서는 하얗게 보이는데요. 나사는 적외선 이미지에서 하얗게 보이는 것은 "고도가 높다는 것을 나타낸다"고 설명했습니다. 이는 대적반의 소용돌이가 매우 높은 고도의 안개를 가지고 있다는 것을 의미합니다.

제임스웹으로 목성과 위성까지 담아낸 모습. NASA, ESA, CSA, Jupiter ERS Team; image processing by Ricardo Hueso (UPV/EHU) and Judy Schmidt.

나사는 목성과 함께 그 주변까지 담아낸 이미지도 함께 공개했는데요. 여기에선 지금까지 공식적으로 공개되지 않았던 목성의 고리가 담겼습니다. 목성은 상대적으로 토성보다 앏은 고리를 가지고 있는데요. 이 고리의 밝기는 목성보다 백만배 정도 어둡기 때문에 보이저와 주노 등 탐사선의 관측에서는 담아내지 못했었습니다. 해당 와이드 사진에서는 고리와 더불어 '아말테아'와 '아드라스테아'라고 불리는 두 개의 작은 위성도 담기기도 했습니다.

해당 이미지를 확인한 행성 천문학자 임케 드 파터는 "솔직히 이렇게 좋은 이미지가 담길 것이라고는 정말로 예상하지 못했습니다"라고 감탄하기도 했습니다.

선명한 고리의 존재감, 제임스 웹이 관측한 처리되지 않은 토성 이미지

제임스 웹의 근적외선 카메라로 촬영후 처리되지 않은 토성 이미지. JWSTFeed.com 캡처

목성에 이어 태양계 행성 중 2번째로 거대하고 고리가 인상적인 토성. 제임스 웹은 6월 24~25일 사이 근적외선 카메라(NIRCam)으로 관측했습니다. 이 관측 이미지는 다른 관측결과물과는 다르게 비공식 웹사이트 제임스웹 우주망원경 피드'(jwstfeed.com)에 공개됐는데요. 해당 이미지는 다른 공식 이미지와는 다르게 편집이 전혀 되지 않은 원시 흑백 자료입니다.

본래 제임스 웹은 적외선으로 천체를 관측하고 데이터를 수집한 다음 처리되지 않은 흑백이미지를 출력하고 여기에 수집된 데이터를 기반으로 후처리를 진행하는데요. 우리들이 본 다양한 이미지들은 모든 후처리가 진행된 이미지 입니다. 이 이미지들은 영국 레스터 대학 연구진의 '토성 시스템 관측 프로젝트'의 일환으로 촬영됐습니다.

제임스 웹의 근적외선 카메라로 촬영후 처리되지 않은 토성 이미지. JWSTFeed.com 캡처

나사, STScI에서 제임스 웹으로 아직까지 토성 중심 공식 관측 결과물이 없는만큼 이번 비공식 관측은 매우 흥미로울 수 밖에 없습니다. 공개된 이미지는 크게 2장으로 나뉘며 둘다 토성과 토성 고리의 모습을 선명하게 표현하고 있습니다.

비공식자료인 만큼 제임스 웹이 정말 촬영한 것인지 의구심이 들 수 있지만 두번째 이미지에서 토성의 주변에 관측된 여섯갈래로 나뉘어진 스파이크는 제임스 웹이 관측했을 때 보이는 빛갈라짐입니다. 현재 활동중인 우주망원경에서 이러한 스파이크를 표현하는 기체는 제임스 웹이 유일합니다.(허블 우주망원경은 십자 스파이크를 보입니다)

제임스 웹이 근적외선 카메라로 토성의 위성 타이탄을 관측한 이미지. NASA, ESA, CSA, Webb Titan GTO Team

제임스 웹은 토성 외에도 위성인 타이탄과 엔셀라두스를 관측했습니다. 먼저 타이탄은 토성의 여러 위성 중 가장 큰 위성으로 수성보다 큽니다. 타이탄의 특징으로는 태양계 위성중 유일하게 대기를 가지고 있다는 점입니다. 무려 지구의 네배의 밀도를 자랑하는데요. 그 성분은 아쉽게도 산소가 아닌 질소와 메탄으로 구성되어 있습니다. 그 때문에 타이탄은 흐릿한 오렌지색을 띄고 있고 이 대기의 연무 때문에 지표면 관측이 까다롭습니다. 이에 적외선으로 대기 속 지표면을 관측할 수 있는 제임스 웹의 타깃이 된 것입니다.

타이탄에 대기가 있다는 건 액체 상태의 무언가가 있다는 말이 되는데요. 지구에는 물이 있다면 타이탄에는 액화메탄이 지표면에서 순환하는 것으로 알려져 있습니다. 타이탄의 북극에는 액체메탄 바다로 예상되는 '크라켄 마레(Kraken Mare)'라는 지역이 있는데요. 제임스 웹의 근적외선 카메라(NIRCam) 관측으로 이 지역에서 구름을 발견했습니다. 액체 메탄이 기화해 메탄구름을 형성한 것으로 추측되는 대목입니다. 이 현상으로 타이탄에는 메탄의 순환시스템이 형성돼 있고 이 환경에 진화한 생명체가 있을 가능성을 생각해볼 수 있습니다. 이어 "Belet" 부분은 어두운 색의 모래 언덕으로 구성되어 있을 것으로 예측되고 "Adiri" 부분은 높은 알베도(반사율)를 보여주고 있습니다.

제임스 웹이 관측한 토성의 위성 엔셀라두스의 물줄기 분출 장면. 회색 픽셀이 엔셀라두스다. 왼쪽 상단의 이미지는 카시니 탐사선이 촬영한 엔셀라두스의 모습. NASA, ESA, CSA, Geronimo Villanueva (NASA-GSFC)

타이탄에 메탄과 대기가 존재하지만 있다면 아직 놀라기엔 이릅니다. 토성의 또다른 위성에는 더 놀라운 것이 존재합니다.

천문학자들은 토성의 위성 중 물이 있다고 알려진 엔셀레두스에 초점을 맞췄습니다. 나사는 "제임스 웹이 엔셀라두스(Enceladus) 남극에서 우주로 뿜어져 나오는 1만㎞ 길이의 수증기 기둥을 관측했다"고 5월 31일 밝혔습니다. 이 규모는 지금까지 엔셀라두스에서 발견된 것들 중 규모가 가장 큰 사례입니다.

나사에서 공개한 이미지에 따르면 회색 픽셀 하나가 엔셀라두스고 그 밑으로 역삼각형으로 파란색 픽셀이 분포해있는데 이것이 엔셀라두스에서 분출된 물기둥의 모습입니다. 제임스 웹은 근적외선 분광기(NIRSpec)로 빛이 물 분자를 거치며 변하는 미약한 형광방출을 포착했고 엔셀라두스에서 분출되는 거대한 물기둥을 관측했습니다. 엔셀라두스는 토성을 33시간 주기로 공전을 하는데요. 공전을 하는 도중 물기둥에서 물을 분출하기 때문에 엔셀라두스의 공전궤도에는 도넛 모양의 수증기 구름이 형성돼 있습니다. 제임스 웹 관측 당시 분출되는 물의 양은 초당 약 300kg으로 이는 과거 카시니 탐사선이 엔셀라두스 탐사도중 처음 발견한 물기둥의 분출량과 비슷한 속도입니다.

엔셀라두스가 토성을 공전하며 분출한 물줄기로 도넛모양의 수증기 구름(plume)의 상상 이미지. NASA, ESA, CSA, STScI, Leah Hustak (STScI)

지구의 4%의 크기, 달의 7분의 1 크기에 불과한 엔셀라두스에는 눈과 얼음으로 둘러싸인 지표면 밑에 지구보다 깊은 수심의 바다가 있을 것으로 추정되고 있는데요. 토성의 중력에 의한 지각활동으로 바다 속 열수 분출구가 있을 것으로 추정되고 있습니다. 지구의 바다 속 열수 분출구 주변에는 다양한 생명체가 서식하고 있는데요. 엔셀라두스에도 생명체가 탄생할 수 있을 정도로 따뜻한 온도의 바다가 형성돼 있을 가능성이 매우 높습니다.

이에 연구진은 엔셀라두스에서 분출된 물에 생명활동의 흔적인 유기화합물이 있는지 분석했는데요. 아쉽지만 이번에는 찾지 못했습니다. 과학자들은 추후 엔셀라두스의 물기둥에 대해 추가 연구를 진행할 예정이고 여기서 생명체 활동의 증거를 찾는 연구도 진행할 예정입니다.

황홀한 고리와 새로운 모습의 천왕성을 담아낸 제임스 웹

제임스 웹으로 관측한 천왕성의 모습. NASA, ESA, CSA, STScI

1986년 1월 보이저 2호는 천왕성을 지나가면서 촬영한 이미지를 지구에 전송했습니다. 수신된 이미지에는 별 특징이 없는 청록색 구체의 모습이 담겨있었습니다. 그리고 지금까지 우리는 약 40여년동안 천왕성의 모습을 파란색 구체의 모습이라고 생각해왔죠. 보이저2호에 탑재된 카메라의 스펙으로는 천왕성의 모습을 온전하게 담아내기 어려웠습니다.

2023년 2월 제임스 웹은 다시 한 번 천왕성을 바라봤습니다. 근적외선 카메라(NIRCam)의 두가지 필터를 사용해 관측을 진행했습니다. 그리고 결과물을 마주한 과학자들은 그동안 보이지 않던 천왕성의 다양한 모습을 확인합니다.

우선 존재감이 확실한 고리입니다. 천왕성은 13개의 고리를 가졌다고 알려져 있지만 이번 제임스 웹의 이미지에서는 11개를 확인 할 수 있습니다. 그 이유는 고리가 너무 밝아서 근접해 있는 고리끼리 합쳐지는 것처럼 보이기 대문입니다. 천왕성 고리 중 9개는 행성의 주 고리로 분류되고 나머지 2개는 희미한 먼지고리 입니다. 이 2개의 고리는 보이저 2호가 스윙바이를 하기 위해 근접해서야 존재를 확인했습니다.

제임스 웹이 천왕성과 주변 위성까지 관측한 이미지. NASA, ESA, CSA, STScI

다음으로는 극지방 모자입니다. 과거 허블 우주망원경은 천왕성의 고리 일부를 발견했고 천왕성이 태양을 바라보는 극지방과 주변이 밝게 빛나는 '극지방 모자'로 불리는 현상을 발견했죠. 천왕성은 특별하게도 공전 궤도면의 90도 각도로 자전을 합니다. 따라서 여름과 겨울에 극지방마다 극단적인 환경변화가 발생하죠. 태양을 바라보는 곳은 빛과 열로 대기에 짙은 스모그와 같은 연무와 함께 폭풍이 발생하는데 우주에서는 흰색 원처럼 보이게 됩니다. 이 현상을 제임스 웹은 극단적으로 포착했습니다. 나사는 이번에 포착된 극지방은 천왕성의 북극의 모습이며 공전궤도상 돌아오는 4계절로 대입을 한다면 촬영 당시에는 늦은 봄에 해당된다고 설명했습니다. 이어 완전한 북극의 여름은 2028년이 될 것이라고 덧붙였습니다.

파란색? 하얀색? 해왕성의 남다른 모습을 담아낸 제임스 웹

제임스 웹이 관측한 해왕성의 모습. NASA, ESA, CSA, STScI

보이저 2호가 해왕성을 탐사하면서 촬영한 이미지. NASA/JPL-Caltech

태양계 외행성 관측을 해오던 제임스 웹은 지난해 9월 태양계 끝자락에 위치한 해왕성을 선명하게 담아냈습니다. 인류가 해왕성을 관측한 것은 보이저 2호가 주변을 지나가면서였습니다. 당시 보이저 2호가 관측한 해왕성의 모습은 파란색 구체에 대기에 목성과 비슷한 대흑점이 있다는 점 입니다.

해왕성은 육안으로는 보이지 않아 탐사가 아니라면 관측하기 어려웠지만 제임스 웹의 높은 해상도와 정밀한 관측 덕분에 1989년 탐사한 이래로 34년 만에 관측 및 촬영을 이뤄냈습니다.

제임스 웹은 근적외선 카메라(NIRCam) 관측으로 해왕성을 촬영했는데요. 결과물 이미지에선 희미하게 빛나는 주변의 고리 2개까지 선명하게 담겼습니다. 이어 적외선 관측은 우리에게 해왕성의 남극을 둘러싼 높은 고도에 구름띠가 연속적으로 형성된 것을 밝혀냈습니다. 하지만 한가지 이상한 것이 있습니다. 보이저가 관측한 해왕성은 파란색 대기를 가졌는데 제임스 웹은 마치 얼음덩어리처럼 하얗게 담겼습니다. 메탄가스는 가시광선의 파란색 파장을 반사하되 붉은색처럼 파장이 긴 빛을 흡수하는 경향이 있습니다. 따라서 적외선 관측을 하는 제임스 웹 결과물에는 빛을 반사하는 구름 부분을 제외하고는 어둡게 촬영됐습니다.

제임스 웹이 관측한 해왕성과 주변 위성. 상단에 위치한 트리톤은 별이 아닌 위성이지만 빛 반사율이 높아서 스파이크가 발생했다. NASA, ESA, CSA, STScI

해왕성은 14개의 위성을 가지고 있는데요. 이번 촬영에서 7개를 포착했습니다. 오른쪽 위에 데스피나를 시작으로 시계방향으로 프로테우스, 라리사, 탈라사, 나이아드, 갈라테아 그리고 트리톤입니다. 이중 가장 밝게 빛나는 트리톤은 다른 위성과 다르게 공전궤도가 반대입니다. 이는 해왕성 근처 궤도에서 생성된 위성이 아닌 다른 곳에 있다가 중력에 포섭된 위성이라고 볼 수 있습니다. 과학자들은 이 트리톤이 태양계 너머 '카이퍼 벨트'에서 머물다 해왕성에 온 것으로 추정하고 있습니다.

제임스 웹의 관측은 계속됩니다

가시광선으로 세상을 바라보던 인류가 적외선으로 세상을 관측하게 되면서 우리가 알던 우주는 우리가 전혀 모르는 모습으로 우리에게 다가왔습니다. 당연하다고 생각해왔던 것들이 당연하지 않게 되는 순간 우리는 세상의 구조와 그 신비로운 모습에 감탄해왔습니다. 제임스 웹을 우주로 쏘아 올리면서 과학자들은 우리가 무엇을 보게 됐는지 알 수 없고 우리는 그저 발견하게 될 새로운 우주를 기다리면 된다고 했습니다.

그동안 전세계 천문학자들은 관측스케줄을 선별한 사이클1(Cycle 1)일정을 성공적으로 진행했고 인류는 경이로운 우주의 모습을 재확인했습니다. 그리고 새로운 관측주기가 도래함에 따라 사이클2(Cycle 2) 일정이 확정됐고 우리는 다시 새로운 우주를 확인할 것입니다.

앞으로 얼마나 더 놀랍고 새로운 세상을 확인하게 될 지 그 즐거운 순간이 기다려집니다.

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CBS노컷뉴스 최원철 기자 chwch@cbs.co.kr

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