LHS 1140 b, 거주 가능 구역 암석 행성 최초로 대기 확인

헬륨이 LHS 1140 b에서 탈출하는 속도는 천문학자들에게 정확히 필요한 정보를 알려준다. 고래자리 방향으로 48광년 떨어진 적색왜성을 도는 이 슈퍼지구에는 대기가 존재한다는 것이다. 칠레 마젤란 클레이 망원경의 근적외선 분광법을 통해 이루어진 이 탐지는 생명체 거주 가능 영역에 있는 다른 항성의 암석 행성 중 처음으로 대기를 확인한 사례로, 외계행성 과학이 20년 동안 답하지 못했던 질문에 마침표를 찍었다.

이 결과가 LHS 1140 b에 생명체가 존재한다는 의미는 아니다. 이는 이 행성이 표면 거주 가능성을 위한 가장 기본적인 조건, 즉 가스를 붙잡아 두는 능력을 갖추었음을 의미한다. 지금까지 과학자들은 가스 행성과 일부 서브넵튠 행성에서는 대기를 발견했지만, 생명체를 지탱할 가능성이 가장 높은 유형으로 여겨지는 고체 행성에서는 발견한 적이 없었다.

어떻게 발견했나

LHS 1140 b의 대기를 확인하는 데 사용된 기술에는 특별한 역사가 있다. 근적외선 분광법을 통해 외계행성 상층 대기에서 탈출하는 헬륨을 탐지하는 방법은 원래 신호가 큰 가스 행성을 위해 개발되었다. 이를 암석 행성에 적용하려면 정밀한 대상과 훨씬 약한 신호를 분해할 수 있을 만큼 민감한 장비가 필요했다.

콜린 체루빔이 이끄는 하버드 & 스미소니언 연구팀은 LHS 1140 b를 선택했다. 그 이유는 이 행성이 적색왜성을 공전하기 때문이다. 적색왜성은 자외선과 X선 복사로 행성을 강타하여 대기를 침식할 만큼 강력한 방사선을 방출하는 항성군이다. 만약 헬륨이 탈출하고 있다면, 마젤란 클레이 망원경의 WINERED 분광기가 이를 탐지할 가능성이 있었다. 연구팀에게 추가적인 이점을 제공한 것은 기하학적 조건이었다. 단 하룻밤 사이에 LHS 1140 b와 인접한 또 다른 행성이 동시에 모항성 앞을 통과(트랜짓)하면서, 연구팀은 두 신호를 병렬로 비교하고 항성 배경 잡음에서 헬륨 신호를 분리할 수 있었다.

그 신호는 지속적인 항성 폭격을 받는 헬륨이 풍부한 상층 대기에 대한 예측과 일치했다. 데이터에 맞는 다른 설명은 없었다. 체루빔은 결과를 모호함 없이 요약했다. “이것은 누군가 다른 항성의 거주 가능 영역에 있는 암석 행성에서 대기를 발견한 첫 번째 사례입니다.”

대기에는 무엇이 포함되어 있고, 무엇이 포함되지 않았나

이 탐지는 상층 대기에서 헬륨을 특정적으로 식별한 것이다. 낮은 고도의 대기 전체 조성을 특성화한 것은 아니다. 헬륨이 이러한 탈출 방법을 통해 탐지 가능한 이유는 정확히 헬륨이 충분히 가벼워 항성 복사에 의해 가열될 때 위로 새어 나갈 수 있기 때문이다. 더 무거운 가스는 아래쪽에 머물러 있으며, 이 장비의 감도로는 트랜짓 신호에 감지 가능한 흔적을 남기지 않는다.

낮은 대기에 질소, 이산화탄소, 또는 수증기가 포함되어 있는지 여부는 이 데이터 세트만으로는 확인할 수 없다. 이 가스들은 표면 온도와 액체 물의 가능성을 결정하는 온실가스이다. 온실 효과가 거의 없는 헬륨이 지배적인 대기는 LHS 1140 b의 궤도 위치만으로 예상되는 것보다 훨씬 낮은 표면 온도를 초래할 것이다. 상당한 CO₂ 또는 N₂가 있는 대기는 온도를 거주 가능 범위로 끌어올릴 수 있다. 얼음 바위와 물의 세계 사이의 차이는 아직 측정되지 않은 이 낮은 층들에 달려 있다.

30억 년의 생존

모항성인 LHS 1140은 태양 질량의 약 30%이다. 적색왜성은 수억 년에서 10억 년 이상 지속되는 긴 전주계열 단계 동안 강력한 복사를 방출하는데, 이 시기는 얇은 대기를 완전히 벗겨낼 만큼 가혹하다. LHS 1140 b가 감지 가능한 대기를 유지하고 있다는 사실은 이 행성이 처음에 매우 큰 대기 저장고를 가지고 시작했거나, 시간이 지남에 따라 화산 활동으로 대기가 재공급되었거나, 또는 두 가지 모두를 의미한다.

연구팀은 이 대기가 30억 년 이상 지속되었다고 추정한다. 비교하자면, 지구의 현재 산소가 풍부한 대기 자체는 25억 년 미만이다. 이전의 정설은 적색왜성을 공전하는 암석 행성은 바로 이 방사선 노출 때문에 장기적인 대기 유지에 부적합한 후보라고 여겼다. LHS 1140 b는 직접적인 관측 증거로 그 정설을 반박한다.

이 행성이 LHS 1140의 거주 가능 영역에 위치한다는 것은 궤도 기하학을 평균했을 때 지구가 태양으로부터 받는 에너지와 대략 비슷한 에너지를 받는다는 것을 의미한다. 이러한 에너지 균형은 액체 물이 존재하기 위한 필요 조건이며, 대기가 즉각적인 증발이나 동결을 방지할 만큼 충분히 두껍다고 가정할 때 성립한다.

이 발견이 해결하지 못한 것

남아 있는 불확실성은 상당하다. 이 행성의 내부 구성은 여전히 논쟁 중이다. 이전의 질량 및 반경 측정은 암석 슈퍼지구 또는 해양 세계(일부가 물 얼음으로 구성된 행성)와 일치하며, 표면 조건과 거주 가능성에 대한 함의가 다르다. 이 행성의 부피 밀도는 순수한 암석이 생성할 값과 휘발성 물질이 포화된 조성이 시사하는 값 사이에 위치한다.

대기의 온도 프로필은 알려져 있지 않다. 헬륨 탈출 신호는 상층 대기를 제한할 뿐, 표면 기후가 결정되는 낮은 층은 제한하지 않는다. 헬륨이 풍부한 외부 층은 신호가 암시하는 것보다 훨씬 얇은 대기를 덮고 있거나, 훨씬 두꺼운 대기를 덮고 있을 수 있다.

재현도 어려울 것이다. LHS 1140 주변에서 두 행성이 동시에 트랜짓하는 현상은 특이한 보정 기회를 제공했다. 이러한 기하학적 우연이 없으면 배경 잡음으로 인해 독립적인 반복 측정을 깔끔하게 해석하기가 더 어려워진다. 다른 기술이나 제임스 웹 우주 망원경의 투과 분광법을 통한 두 번째 확인은 사례를 크게 강화할 것이다.

마지막으로, 항성 자체의 플레어 활동은 계속해서 LHS 1140 b에 고에너지 입자를 퍼붓고 있다. 현재 대기 질량이 정상 상태 평형에 있는지, 아니면 느리게 고갈되고 있는지는 단일 시점 탐지로는 판단할 수 없다.

LHS 1140 b에 대한 일반적인 질문

LHS 1140 b가 생명체를 지탱할 수 있을까? 대기 확인은 표면 거주 가능성을 위한 하나의 필요 조건을 확립했을 뿐, 충분 조건은 아니다. 과학자들은 낮은 대기에 온실가스가 포함되어 있는지, 액체 물에 충분한 표면 압력을 유지하는지, 그리고 행성 표면에 액체 물이 존재하는지 측정해야 한다. LHS 1140 b는 이제 거주 가능 영역 외계행성 연구에서 최우선 순위 대상이 되었지만, 아직 생명체 후보로 확인된 것은 아니다.

헬륨 탐지가 왜 대기를 확인하는가? 행성에서 탈출하는 헬륨은 지속적인 대기 저장고를 의미한다. 상당한 대기가 없다면 지질학적 시간 규모에 걸쳐 감지 가능한 탈출 속도를 유지할 헬륨 공급원이 없을 것이다. 이 신호는 간접적이지만 잘 제한되어 있다. 관측된 속도는 대기 탈출 모델과 일치하며, 현재 학계에서 제안된 다른 설명은 없다.

LHS 1140 b는 얼마나 멀리 있는가? 이 행성은 지구로부터 48광년 떨어져 있다. 그 거리에서는 오늘날 제작되었거나 가까운 미래에 구상된 어떤 우주선도 도달할 수 없다. LHS 1140 b의 모든 측정은 빛, 즉 행성이 트랜짓 중에 모항성 앞을 지나갈 때 항성 스펙트럼에 남기는 흔적에서 비롯된다.

거주 가능 영역이란 무엇인가? 항성 주변의 거주 가능 영역은 지구와 유사한 대기를 가진 행성이 표면에 액체 물을 유지할 수 있는 궤도 거리 범위이다. 이는 항성의 광도와 행성의 알베도에 의해 정의된다. 거주 가능 영역에 있다는 것은 거주 가능성을 위한 필요 조건이지만 충분 조건은 아니다. 행성의 대기, 내부, 자기장 모두 중요하다.

다음 단계는 제임스 웹 우주 망원경을 이용한 Cycle 4 투과 분광법으로, LHS 1140 b의 낮은 대기 조성을 목표로 한다. 해당 관측은 2027년으로 예정되어 있다.

참고문헌: Cherubim et al., “Helium Escape Detection Confirms an Atmosphere on the Habitable-Zone Super-Earth LHS 1140 b,” Science, 2026. DOI: 10.1126/science.aea9708

태그: 천문학, James Webb Space Telescope, exoplanet, habitable zone, LHS 1140, LHS 1140 b