제임스 웹 망원경의 디지털 트윈, 외계행성 검출 감도 최대 15배 높였다

웹의 카메라는 이미 그 행성을 포착하고 있었다. 그 행성은 가까운 젊은 별의 이미지 속에 남은 별빛의 안개에 묻혀 있었고, 기존의 이미지 처리 방식으로는 이를 끄집어낼 수 없었다. 제임스 웹 우주망원경을 소프트웨어로 재구성한 뒤, 그 가상 복제본이 예측하는 눈부심을 빼내는 새로운 기술이 이제 그 행성을 볼 수 있게 만들었다.

그 효과는 크다. 기존 웹 관측 데이터에 적용된 이 방법은 천문학자들이 20년 동안 의존해 온 기준별(reference-star) 기법보다 희미한 행성을 2배에서 15배 더 쉽게 탐지할 수 있게 해주었다고, 노스웨스턴 대학의 로드리고 페레르-차베스(Rodrigo Ferrer-Chavez)가 이끄는 네이처(Nature) 논문이 밝혔다. 웹의 아카이브에는 아무도 본 적 없는 세계가 이미 존재할 수 있으며, 지구의 쌍둥이 행성을 촬영하기 위해 건설될 미래 망원경은 그렇게까지 극도로 안정적일 필요가 없을 수도 있다.

복구된 행성은 51 Eridani b로, 약 96광년 떨어진 젊은 가스 행성이며 지상 망원경이 약 10년 전에 처음 촬영한 것이다. 새로운 점은 파장이다. FLIP(Physics-based Learning for Imaging Planets)이라고 불리는 이 방법은 4.3 마이크론에서 행성을 포착했는데, 이 파장에서는 행성 대기의 이산화탄소가 강하게 흡수되며, 동일한 웹 데이터에 대한 이전 분석에서는 아무것도 찾지 못했던 곳이다.

행성이 눈앞에 숨을 수 있는 이유

논문에 따르면 가장 밝은 젊은 거대 행성들조차 근적외선에서 별보다 약 10만 배 더 어둡다. 하나를 보기 위해 웹의 NIRCam 카메라는 코로나그래프(coronagraph), 즉 별의 원반을 차단하는 마스크를 사용한다. 일부 빛은 여전히 그 주변으로 새어 나와 반점이 있는 안개로 퍼지며, 그 안개는 그 안에 있는 어떤 행성보다도 더 밝은 경우가 많다.

일반적인 해결책은 빼기(subtraction)이다. 천문학자들은 두 번째 별을 촬영하고, 그 이미지를 눈부심의 템플릿으로 삼아 대상에서 빼낸다. “지난 20년 동안 천문학자들은 다른 별을 관측하고 그 이미지를 참조로 사용하여 이 문제를 해결해 왔습니다,”라고 노스웨스턴 대학의 물리학 및 천문학 조교수이자 연구 공동 저자인 제이슨 왕(Jason Wang)이 말했다.

약점은 망원경이 두 촬영 사이에 완벽하게 정지해 있지 않다는 점이다. “작은 열 변화로 인해 거울이 피코미터 단위로 팽창하거나 수축할 수 있습니다,”라고 왕이 말했으며, 웹의 극저온 냉각기 모터가 거울을 진동시킬 수 있다고 덧붙였다. 각 변화는 눈부심 패턴을 바꾸기 때문에 템플릿이 결코 완벽하게 일치하지 않으며, 그 잔여물이 희미한 행성을 묻어버릴 수 있다.

그들이 해낸 방법

다른 별에서 눈부심을 빌리는 대신, FLIP은 이를 계산한다. 연구팀은 우주망원경과학연구소(Space Telescope Science Institute)가 유지 관리하는 웹의 표준 광학 모델인 STPSF에서 시작하여, 신경망 훈련용 프로그래밍 라이브러리인 PyTorch로 재구축했다. 이로 인해 전체 모델이 미분 가능해졌다. 소프트웨어는 각 매개변수가 최종 이미지에 어떻게 영향을 미치는지 계산하고 모든 매개변수를 한 번에 조정할 수 있다.

모델에는 네 그룹의 자유 매개변수가 있다. 이는 별의 밝기와 마스크 뒤의 정확한 위치, 마스크 전후의 빛 왜곡, 그리고 각 검출기 픽셀의 응답을 포함한다. 총 최적화는 약 100만 개의 매개변수를 조정하며, 한 번 실행하는 데 단일 NVIDIA A30 그래픽 카드에서 약 35분이 걸린다.

모델은 먼저 기준별에서 보정되어 정답에 가깝게 시작한 다음, 과학 이미지 자체에서 미세 조정되어 그 사이에 망원경이 변경한 모든 것을 흡수한다. “연구자들이 AI 모델을 훈련하는 데 사용하는 것과 동일한 컴퓨팅 도구를 사용했지만, 실제로 AI를 사용한 것은 아닙니다,”라고 왕이 말했다. “우리는 이미 물리학을 알고 있기 때문에, 무슨 일이 일어나고 있는지 이해하기 위해 AI가 필요하지 않습니다.”

명백한 위험은 유연한 모델이 눈부심과 함께 행성을 지우는 법을 배울 수 있다는 것이다. 이를 방지하기 위해 연구팀은 각 이미지에 가짜 행성을 심고 최적화가 진행됨에 따라 그들이 얼마나 선명하게 드러나는지 추적하여, 신호가 최고치에 도달하거나 평탄해지면 중단했다. 동일한 심어진 행성들은 또한 이 방법이 실제 신호를 얼마나 제거하는지 측정한다.

15배 더 나아졌지만, 모든 곳은 아니다

연구팀은 세 개의 공개된 웹 데이터 세트에서 FLIP을 테스트했다. 두 개는 알려진 행성이 있는 대상 별인 HIP 65426과 51 Eridani이다. 세 번째인 TYC 5899는 알려진 동반 천체가 없으며 기준별 관측 4개월 후에 관측되었는데, 이 긴 간격 동안 망원경의 광학계가 눈에 띄게 표류했다.

웹이 직접 이미징한 첫 번째 외계행성인 HIP 65426 b에서는 신호가 표준 방법인 KLIP보다 약 1.6배 더 강하게 나타났다. 약간 더 짧은 파장의 51 Eridani b에서는 2.1배 더 강했다. 4.3 마이크론에서 행성은 신호 대 잡음비 6.3으로 나타나, 원래 분석에서는 아무것도 보지 못했던 5-시그마 탐지 기준을 넘겼다.

가장 큰 개선은 표류 데이터 세트인 TYC 5899에서 나타났다. 여기서 FLIP은 별에서 0.5각초 떨어진 곳에서 KLIP보다 약 15배 더 희미한 행성을 탐지할 수 있었고, 1각초에서는 약 5배 더 희미했다. 1각초는 약 5km 거리에서 본 동전의 너비와 비슷하다.

이 경우가 발견에 가장 중요하다. 많은 웹 관측 프로그램은 몇 주 또는 몇 달 간격으로 관측된 다른 대상을 기준별로 사용하며, 논문은 GO 5835 및 SURVEY 6005 프로그램을 포함하여 이러한 방식으로 수행된 100개 이상의 관측을 집계했다. 이들 모두 재처리될 수 있다.

파장도 중요하다. 이산화탄소는 4.3 마이크론에서 강하게 흡수되어 행성을 어둡게 하지만 대기에 중원소가 얼마나 풍부한지 드러내며, 지구 대기 자체가 그 빛을 차단하기 때문에 지상 망원경으로는 측정할 수 없다. 이전 연구는 51 Eridani b가 모성보다 약 5배 많은 중원소 비율을 가지고 있다고 제안했으며, 새로운 이미지는 이를 테스트할 방법을 제공한다.

이 방법이 해결하지 못하는 것

FLIP은 새로운 행성을 발견하지 못했다. 탐지된 세 행성 모두 이미 알려져 있었으며, TYC 5899 데이터에 심어진 가짜 행성들은 이 방법이 무엇을 찾을 수 있는지 보여줄 뿐, 실제로 찾은 것은 아니다. 첫 번째 진정한 발견이 있다면, 독립적인 검증을 통과해야 할 것이다.

이 방법은 또한 자체 한계에 미치지 못한다. 완벽한 물리 모델은 광자 잡음 한계, 즉 빛 자체의 무작위 도달에 의해 설정된 하한에 도달할 것이다. FLIP은 KLIP보다 이에 훨씬 가까워졌지만 어떤 관측에서도 도달하지 못했다. 저자들은 모델이 아직 오차 막대와 함께 망원경이 실제로 얼마나 이동했는지 보고할 수 없으며, TYC 5899 시야에 있는 밝은 근처 별이 왜곡된 형태로 빼기 과정에서 살아남았다고 덧붙였다.

테스트는 또한 하나의 장비인 웹의 NIRCam을 대상으로 했으며, 두 종류의 코로나그래프와 몇 가지 필터를 사용했다. 훨씬 더 많은 데이터 양과 난기류 대기를 통과해야 하는 지상 망원경은 FLIP이 아직 해결하지 못한 더 어려운 문제이다.

미래 망원경이 신경 써야 하는 이유

NASA가 제안한 Habitable Worlds Observatory는 태양과 같은 별 주변의 지구와 유사한 행성, 즉 별보다 약 100억 배 더 어두운 행성을 촬영하기 위한 것이다. 논문에 따르면 오늘날의 접근 방식으로는 그러한 망원경이 피코미터 수준에서 광학계를 안정적으로 유지해야 하며, 이는 웹보다 100~1,000배 더 안정적인 수준으로, 이 요구 사항이 임무의 난이도를 크게 높인다.

소프트웨어가 공학적으로 해결하는 대신 표류를 보정할 수 있다면, 그 부담 중 일부가 줄어든다. “우리는 우리 태양계와 같은 다른 별 주변의 행성을 알지 못합니다,”라고 페레르-차베스가 말했다. “존재하지 않는 것이 아닙니다. 우리가 볼 수 없는 것입니다.”

웹과 외계행성 이미징에 관한 일반적인 질문

제임스 웹 망원경은 어떻게 외계행성을 촬영하나요?

웹은 NIRCam 및 MIRI 기기 내부의 마스크인 코로나그래프로 별의 빛을 차단한 다음, 소프트웨어로 남은 눈부심을 제거합니다. 남은 것은 행성을 희미한 점광원으로 보여줄 수 있습니다. 이 방법은 별에서 멀리 떨어진 젊고 뜨거운 거대 행성에 가장 잘 작동하며, 이들은 여전히 적외선으로 빛납니다.

51 Eridani b는 무엇인가요?

이는 에리다누스자리에서 지구로부터 약 96광년 떨어진 별 51 Eridani를 공전하는 젊은 가스 행성입니다. 이 계는 약 2천만 년 된 것으로, 행성은 여전히 형성 당시 남은 열로 빛나고 있습니다. 지상 기기인 Gemini Planet Imager로 발견되어 2015년에 발표되었습니다.

FLIP은 인공지능을 사용했나요?

훈련된 신경망이라는 의미에서는 아닙니다. PyTorch 라이브러리와 Adam 최적화 도구를 포함하여 AI 모델 훈련에 사용되는 최적화 도구를 차용했지만, 모델 자체는 망원경의 알려진 물리학으로 구축되었습니다.

이것이 지구와 유사한 행성을 찾는 데 도움이 될 수 있나요?

웹으로 직접적으로는 아니지만, 미래 망원경을 더 쉽게 구축할 수 있게 할 수 있습니다. 2040년대 발사 예정인 Habitable Worlds Observatory는 지구의 쌍둥이를 이미징하기 위해 극도로 안정적이어야 하며, 불안정성을 보정하는 소프트웨어가 그 요구 사항을 완화할 수 있다고 저자들은 주장합니다.

다음 단계

이 연구는 2026년 11월 4일 네이처에 게재되었다. 연구팀은 새로운 4.3 마이크론 탐지를 사용하여 그 파장에서 행성의 밝기를 측정하고 대기 분석을 다시 수행할 예정이며, FLIP을 웹의 중적외선 기기인 MIRI와 NASA의 Nancy Grace Roman Space Telescope로 확장하려고 한다. 가이아(Gaia) 임무가 넓은 궤도의 수천 개 거대 행성을 밝혀낼 것으로 예상됨에 따라, 더 예리한 눈을 위한 대상은 부족하지 않을 것이다.

참고문헌: Ferrer-Chavez et al., “Imaging exoplanets below the telescope stability limit,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11213-z

태그: 천문학, James Webb Space Telescope, 외계행성, 51 Eridani b, NIRCam, Northwestern University