맨바위여야 할 용암 행성이 별빛의 74%를 반사한다고 웹 망원경이 확인했다

제임스 웹 우주망원경은 별에 너무 가까워 일 년이 지구의 반나절도 채 되지 않는, 녹은 암석으로 뒤덮인 암석 행성이 금성에 버금갈 만큼 빛을 반사한다는 사실을 발견했다. 웹은 이 행성이 궤도를 거의 한 바퀴 도는 동안 추적했고, 행성이 받은 별빛 대부분을 흡수하는 대신 되돌려 보낸다는 것을 확인했다.

이런 일은 일어나서는 안 된다. 용암은 어둡고, 이처럼 강한 복사를 받는 작은 암석 세계라면 오래전에 대기를 잃어 검고 그을린 구체만 남았을 것으로 예상됐다. 밝은 행성이라는 것은 마그마 위에 무언가가 존재한다는 뜻이다. 아마도 표면에서 끓어 증발한 암석으로 이뤄진 반사성 구름을 품은 두꺼운 대기일 가능성이 크다.

이로써 TOI-561 b는 대기를 유지한 태양계 밖 암석 행성의 가장 강력한 사례 중 하나가 됐다. JWST는 대부분 적색왜성 주위를 도는 일련의 작은 암석 세계를 조사했으며, 대체로 맨바위만 확인했다. 대기를 가질 가능성이 가장 낮아 보였던 이 행성이 오히려 대기를 지킨 것으로 보인다.

몬트리올 대학교의 새뮤얼 부셰(Samuel Boucher)가 이끌고 워털루 대학교의 리사 댕(Lisa Dang)이 프로젝트 책임자를 맡은 이번 연구는 The Astronomical Journal에 실렸다. 버밍엄 대학교의 공동 저자 안잘리 피에트(Anjali Piette)는 “우리의 발견은 현재 이론에 도전한다”며 “TOI-561 b처럼 강한 복사를 받는 암석 행성은 수십억 년 전에 대기를 잃었을 것으로 예상했을 것”이라고 말했다.

보이지 않는 행성의 빛을 웹은 어떻게 측정했나

웹은 육분의자리에서 약 280광년 떨어진 항성의 눈부심 속에 묻힌 TOI-561 b를 촬영할 수는 없다. 대신 항성과 행성이 함께 내는 적외선 빛을 극도로 정밀하게 측정하고, 행성이 공전하면서 그 빛이 어떻게 변하는지를 관찰할 수 있다.

이 행성은 한쪽 면이 영구적인 낮, 다른 한쪽 면이 영구적인 밤인 조석 고정 상태일 가능성이 거의 확실하다. 행성이 공전하면서 웹은 뜨거운 낮 쪽을 더 많이 보게 됐다가, 이어 밤 쪽을 더 많이 보게 된다. 행성이 항성 뒤로 들어가면 행성의 빛은 사라지며, 그만큼 감소한 양이 낮 쪽의 빛을 직접 알려준다. 궤도를 따라 나타나는 이 같은 밝기 증감은 위상 곡선이라 불린다.

연구진은 약 3~5마이크로미터 적외선 파장에서 거의 네 번의 공전을 포괄하도록 약 37시간 동안 쉬지 않고 웹의 NIRSpec 기기를 이 계에 겨눴다. 행성의 낮 쪽은 항성 빛에 수십 ppm에 불과한 미세한 양을 더한다. 이를 분리하기 위해 연구진은 항성 표면의 느린 끓음 무늬가 밝기를 깜빡이게 하는 현상인 과립화도 모델링했다.

댕은 “위상 곡선으로 알려진 이 기법은 행성이 항성 빛의 상당량을 반사하고 있으며, 열이 햇빛을 받는 쪽에만 머무르지 않고 행성 전체로 재분배되고 있음을 보여줬다”며 “이 두 가지는 함께 대기의 존재를 가리킨다”고 말했다.

수치가 맨바위를 배제하는 이유

논거는 에너지 수지다. 이 거리에서 모든 에너지를 흡수하고 밤 쪽으로 열을 전혀 옮기지 않는 어두운 맨바위라면 낮 쪽 온도는 약 3,200켈빈, 섭씨 약 2,900도에 이르러야 한다. 웹은 낮 쪽에서 약 2,050켈빈, 섭씨 약 1,780도, 밤 쪽에서 약 1,090켈빈, 섭씨 약 820도를 측정했다. 맨바위만으로는 영구적인 밤 쪽을 데울 방법이 없다.

밤 쪽 역시 사라진 에너지를 설명할 만큼 따뜻하지 않으므로, 그 에너지 대부분은 흡수되기 전에 반사됐음이 틀림없다. 연구진은 이 수지로부터 행성이 들어오는 별빛 중 우주로 되돌려 보내는 비율인 본드 알베도를 약 0.74, 오차는 대략 0.1로 산출했다. 황산 구름에 싸인 금성은 약 0.77, 지구는 약 0.3, 달은 약 0.1이다. 실험실 시험 결과 용암은 반사성이 낮은 것으로 나타났으므로, 빛을 반사하는 것은 지표가 아니다.

행성 기후의 컴퓨터 모델도 이를 뒷받침했다. 연구진은 지구의 10배인 최대 10바의 지표면 압력에서 수증기 대기, 물과 이산화탄소 대기, 거의 순수한 산소 대기를 시험했다. 어두운 맨바위는 관측된 것보다 훨씬 큰 위상 곡선을 보인 반면, 가스 조성과 무관하게 1~10바의 밝은 대기가 관측값에 가장 근접했다. 행성의 낮은 밀도가 깊은 외피층을 시사하고 얇은 층은 이 복사를 수십억 년간 견디지 못했을 것이므로, 저자들은 실제 대기가 이보다 더 두꺼울 것으로 본다.

모래를 이루는 물질로 만들어진 구름

가장 유력한 반사체는 석영과 일반적인 모래를 포함하는 규산염 광물 계열의 구름이다. 낮 쪽은 마그마 바다에서 암석을 기화시킬 만큼 뜨겁고, 대기가 식는 낮 쪽 가장자리 부근에서는 이 증기가 이산화규소와 규산마그네슘 알갱이로 응결할 수 있다. 이 물질들은 웹이 사용한 파장에서 빛을 매우 효율적으로 산란시킨다.

연구진은 아무것도 반사하지 않아 가능한 한 가장 뜨거운 낮 쪽을 지닌 행성이라는 가장 가혹한 경우를 시험했다. 그럼에도 구름은 아침 쪽에 형성됐고, 이것만으로도 약 0.24의 본드 알베도를 만들기에 충분했다. 이는 피드백을 시사한다. 구름이 낮 쪽을 식히고, 더 차가워진 대기는 더 많은 구름을 형성하게 하며, 행성은 한층 더 밝아진다. 구름은 빛을 되돌려 보냄으로써 가스를 우주로 날려 보내는 에너지도 줄이며, 대기 자체의 자외선 차단제 역할을 한다. 비슷한 효과는 알려진 외계행성 중 반사율이 가장 높은 천체 가운데 하나인 뜨거운 해왕성 LTT 9779 b에서도 제안된 바 있다.

아직 결론나지 않은 것

대기가 무엇으로 이뤄졌는지는 아무도 모른다. 짙은 이산화탄소 담요일 수도 있고, 훨씬 더 뜨거운 금성일 수도 있으며, 목성의 화산 위성 이오에서 분출되는 가스처럼 이산화황이 풍부할 수도 있다. 기후 모델은 물이 풍부한 조성과 산소가 풍부한 조성에 거의 똑같이 잘 들어맞았고, 저자들은 어느 쪽의 우위를 매기지 않았다.

두 NIRSpec 검출기도 서로 다른 결과를 보인다. 하나는 가장 뜨거운 지점이 모델이 예측하는 위치보다 서쪽으로 옮겨져 있음을, 다른 하나는 어떤 모델로도 재현되지 않을 만큼 차가운 밤 쪽을 보여준다. 연구진은 이것이 남아 있는 항성 깜빡임, 한 검출기에서 알려진 드리프트, 또는 파장에 따른 구름이나 가스의 실제 차이일 수 있다고 말했다. 온도값은 행성 복사의 정점을 놓치는 좁은 적외선 창에 기반하므로, 최선의 추정치로 봐야 한다.

더 근본적인 문제는 대기가 애초에 왜 존재하느냐다. 탈출 이론에 따르면 이 정도의 복사를 받는 슈퍼지구는 대기가 완전히 벗겨져야 한다. 저자들은 네 가지 가능성을 제시한다. 이 행성이 미니해왕성으로서 태어날 때부터 가스가 풍부했을 수 있고, 무거운 2차 대기는 가벼운 수소 대기보다 훨씬 느리게 빠져나가며, 행성이 더 바깥에서 형성된 뒤 항성이 가장 격렬했던 젊은 시절이 지난 후 늦게 안쪽으로 이동했을 수 있고, 또는 녹은 내부에 갇힌 가스가 다시 스며 나와 마그마 바다가 행성 전체 규모의 화산처럼 작용하고 있을 수 있다. 이 가운데 하나 이상이 사실일 수 있다.

암석이 너무 적은 암석 세계

TOI-561 b는 태양보다 약간 작고 차가우며 나이가 약 100억 년으로 태양의 두 배에 이르는 항성 주위를 도는 알려진 네 행성 가운데 가장 안쪽에 있다. 이 행성은 지구보다 지름이 약 1.4배, 질량이 2.2배이므로 지구는 물론 이처럼 바짝 붙은 궤도의 대부분 행성보다도 밀도가 낮다. 이는 더 가벼운 물질로 된 깊은 층이 존재한다는 초기 신호다. 이 행성은 수성이 태양을 도는 거리보다 항성에 약 35배 더 가깝게, 약 10.7시간 만에 공전하며, 지구가 받는 양의 약 4,700배에 이르는 별빛을 받는다.

TOI-561 b에 관한 자주 묻는 질문

TOI-561 b는 무엇인가?

약 280광년 떨어진 곳에 있는 암석질 슈퍼지구로, 지구 지름의 약 1.4배다. 약 10.7시간 만에 항성을 공전할 정도로 가까워, 표면은 전 지구적 마그마 바다일 것으로 여겨진다.

TOI-561 b에는 대기가 있는가?

증거는 그렇다고 말한다. 웹은 맨바위라면 나와야 할 온도보다 훨씬 낮은 낮 쪽과 따뜻한 밤 쪽을 측정했으며, 이 두 결과는 빛을 반사하고 행성 전체에 열을 이동시키는 두꺼운 대기를 함께 요구한다.

용암 행성에도 구름이 있을 수 있는가?

그럴 가능성이 크다. TOI-561 b에서는 마그마 바다에서 나온 암석 증기가 낮 쪽 대기가 식는 곳에서 이산화규소와 규산마그네슘 구름으로 응결할 수 있으며, 이 구름은 약 0.74에 이르는 본드 알베도의 가장 유력한 설명이다.

TOI-561 b에 생명체가 살 수 있을까?

아니다. 낮 쪽 온도가 섭씨 약 1,800도에 이르고 표면이 녹은 암석으로 이뤄진 이 행성은 우리가 아는 생명체가 살아남을 수 있는 범위를 한참 벗어난다. 이 행성의 가치는 암석 행성이 어떻게 대기를 유지하거나 잃는지를 보여준다는 데 있다.

다음 단계

동일한 웹 데이터에는 행성이 항성을 가로지를 때 대기를 통과하며 걸러진 별빛인 통과 스펙트럼도 포함돼 있다. 연구진은 대기의 두께, 조성, 구름을 탐사하기 위해 이를 후속 논문에서 분석할 예정이다. 또한 어떤 탈출 경로가 들어맞는지 확인하기 위해 내부와 대기가 함께 어떻게 진화했는지도 모델링하고 있다.

웹은 관측 프로그램 3860에 따라 2024년 5월 이틀에 걸쳐 위상 곡선을 수집했다. 카네기 과학연구소의 요한나 테스케(Johanna Teske)가 이끈 낮 쪽의 첫 분석은 2025년 12월 발표됐으며, 이 행성이 맨바위일 경우보다 너무 차갑다는 결론을 냈다. 위상 곡선 논문은 2026년 9월 29일 온라인으로 출판됐고, 버밍엄 대학교는 2026년 10월 26일 이 결과를 발표했다.

결정적인 시험은 웹의 MIRI 중적외선 기기로 위상 곡선을 얻는 것이다. 이는 낮 쪽과 밤 쪽의 온도를 독립적으로 확정하고, 항성 깜빡임의 영향을 덜 받으며, 이산화탄소가 강한 흔적을 남기는 15마이크로미터 대역을 포괄할 것이다. 댕은 “JWST로 더 긴 파장에서 이 행성을 관측하면 통찰을 얻을 수 있고, 이렇게 뜨거운 행성이 어떻게 수십억 년 동안 대기를 붙들고 있었는지 설명하는 데 도움이 될 수 있다”고 말했다.

참고문헌: Boucher et al., “A Highly Reflective Atmosphere on the Lava World TOI-561b Revealed by JWST/NIRSpec Phase Curves,” The Astronomical Journal, 2026. DOI: 10.3847/1538-3881/ae9763

태그: 천문학, James Webb Space Telescope, 외계행성, TOI-561 b, 슈퍼지구, 외계행성 대기