이 외계 행성에서 새벽과 황혼 사이 온도차는 1,775°C — JWST가 마침내 그 이유를 밝혔다

제임스 웹 우주 망원경(JWST)이 같은 낯선 행성의 아침 하늘과 저녁 하늘을 각각 읽어내, 두 곳이 1,775°C나 차이 난다는 사실을 발견했다.

이 행성은 WASP-121 b로, 30시간마다 자신의 항성을 공전하는 초고온 가스 거성이다. 이 행성은 조석 고정 상태다. 한쪽 반구는 항상 항성을 향해 약 2,500°C까지 달궈지고, 반대쪽은 약 725°C의 영원한 밤 속에 있다. 두 반구가 만나는 곳에는 두 개의 경계가 있다 — 새벽의 아침 터미네이터와 황혼의 저녁 터미네이터다. 6월 11일 Nature Astronomy에 발표된 연구는 두 터미네이터를 동시에 지도화해, 거의 2,000도 차이로 화학적으로 뚜렷이 다른 환경임을 밝혔다.

웹이 하나의 통과를 두 개의 하늘로 읽은 방법

통과(transit)는 행성이 항성 앞을 지나갈 때 발생한다. 천문학자들은 행성 가장자리를 통과한 별빛을 분석해 화학적 흔적을 찾는다. 보통 아침쪽과 저녁쪽 가장자리는 하나의 평균 스펙트럼으로 뭉쳐져 분리하기 어렵다.

상황을 바꾼 것은 규모와 타이밍이다. WASP-121 b는 너무 크고 항성에 너무 가까이 공전해, 하나의 통과 동안 약 30도를 자전한다. 이 자전이 먼저 아침쪽 가장자리를, 이어서 저녁쪽 가장자리를 망원경 시야를 통과하게 만든다. NIRSpec 분광기와 NIRISS 기기를 사용해, 연구팀은 행성이 자전하는 동안 광신호가 어떻게 연속적으로 변화하는지 기록했다.

하이델베르크 막스 플랑크 천문학 연구소의 수석 저자 Cyril Gapp은 “전례 없는 관측 품질로 JWST는 지금까지 가장 상세한 먼 행성의 모습을 우리에게 보여준다”고 말했다.

여전히 구름을 만들고 있는 아침 하늘

아침 터미네이터가 웹의 시야에 먼저 들어오며, 저녁쪽보다 별빛을 덜 흡수한다.

팀이 선호하는 설명은 규산염 구름이다 — 물방울이 아니라, 암석 형성 화합물이 높은 고도에서 응결될 때 형성되는 광물 입자다. 아침쪽 대기는 더 차가운 밤쪽에서 오는 공기로 채워지기 때문에, 규산염이 굳어 들어오는 복사를 산란시킬 만큼 충분히 낮은 온도에 잠시 도달한다. 이 산란이 스펙트럼에서 아침 하늘을 더 흐릿하게 만든다.

이 가장자리의 일산화탄소 수준은 비교적 안정적이다. 극한 조건에서 심하게 해리된 물 분자는 저녁 가장자리보다 아침 가장자리에서 여전히 더 강한 신호를 나타낸다.

물이 있기에는 너무 뜨거운 황혼

통과 말미에 저녁 터미네이터가 시야에 들어오면 신호가 측정 가능하게 변한다. 일산화탄소 흡수가 강해지는데, 이는 동쪽 가장자리가 더 뜨겁다는 신호다. 물은 줄어드는데, 행성에 물이 적기 때문이 아니라 상층 대기 온도가 너무 극단적이어서 H₂O 분자가 감지 가능한 양으로 빛을 흡수하기 전에 수소와 산소 원자로 분해되기 때문이다.

저녁 가장자리는 물리적으로도 더 크다. 열이 상층 대기를 위로 팽창시켜, 별빛이 통과해야 하는 기체 깊이를 늘린다. 저녁쪽은 같은 궤도 위치에서 아침쪽보다 더 많은 복사를 가로챈다.

1,775°C의 차이를 만들어내는 바람

두 터미네이터는 모두 낮쪽의 영구적인 용광로와 밤쪽의 영구적인 냉기 사이 경계에 위치한다. 하지만 서로의 거울 이미지가 아니다.

WASP-121 b는 낮쪽의 과열된 공기를 식기 전에 저녁 터미네이터를 넘겨 보내는 빠른 동향 제트 기류를 유지한다. 반면 아침 터미네이터는 밤쪽을 통과하는 동안 이미 열의 대부분을 방출한 공기를 받는다. 그 결과가 1,775°C의 차이이며, 이는 대기 순환이 황혼에 도달하기 전에 전달하는 에너지 양을 직접 측정한 것이다.

이는 조석 고정 행성의 순환 모델 예측과 일치하지만, 허블 관측을 포함한 이전 측정은 두 터미네이터의 합산 신호만 감지할 수 있었다. 막스 플랑크 연구소의 Thomas Evans-Soma와 존스 홉킨스 대학의 천문학자 David Sing이 공동 저자로 참여했다.

거주 가능한 행성 탐색에 이것이 열어주는 것

WASP-121 b는 생명을 품지 않을 것이다. 하지만 이 발견이 제기하는 질문은 더 멀리 닿는다. 차가운 항성 주위 거주 가능 구역의 암석 행성들도 조석 고정될 것으로 예상되며, 두 개의 뚜렷한 터미네이터 구역을 가질 것이다. 그 가장자리들이 서로 다른 화학적 신호를 담고 있다면, 생명 흔적을 찾는 망원경은 어느 쪽 가장자리를 관측하느냐에 따라 다른 결론에 도달할 수 있다.

WASP-121 b의 결과는 극단적인 사례다. 터미네이터 비대칭이 존재한다는 것을 알고 무엇이 그것을 만드는지 이해하는 것이, 이를 올바르게 해석하는 첫 걸음이다.

WASP-121 b에 대한 자주 묻는 질문

Q: 행성이 조석 고정된다는 것이 무슨 의미인가요?

조석 고정은 항성의 중력이 행성의 자전을 서서히 늦춰 한쪽 면이 항상 항성을 향하고 반대쪽은 항상 등지게 되는 현상이다. 지구의 달은 지구에 조석 고정되어 있어 지상에서는 항상 같은 면만 보인다. WASP-121 b는 약 2,500°C의 영구적인 낮쪽과 약 725°C의 영구적인 밤쪽을 가지며, 계절도 낮밤 주기도 없다.

Q: 아침에는 광물 구름이 형성되고 저녁에는 왜 형성되지 않나요?

아침 터미네이터는 더 차가운 밤쪽에서 오는 공기를 받는데, 이 공기는 규산염이 굳어 입자를 형성하고 구름을 만들 수 있는 온도까지 내려갈 수 있다. 같은 공기가 저녁 터미네이터에 도달할 때는, 제트 기류가 낮쪽을 통과하며 공기를 다시 데워 응결하기에는 너무 따뜻해진 상태다.

Q: WASP-121 b는 이전에도 연구된 적이 있나요?

광범위하게. 허블과 스피처를 이용한 이전 관측들은 전반적인 대기 데이터를 제공했지만, 두 터미네이터를 각각 분리해 분석하지는 못했다. 이 연구는 단일 통과 내에서 아침쪽과 저녁쪽 가장자리를 별개의 환경으로 읽어낸 최초의 연구다.

Q: 이것이 다른 행성에서의 생명 탐색에 영향을 미치나요?

직접적으로는 그렇지 않다 — WASP-121 b는 생명이 살기에 너무 뜨겁고 거대하다. 하지만 기법은 중요하다. 거주 가능 구역의 조석 고정된 암석 행성도 서로 다른 터미네이터 가장자리를 가질 수 있으며, 하나만 측정하면 거주 가능성에 대해 잘못된 그림을 줄 수 있다.

Cyril Gapp et al., «Atmospheric asymmetries in WASP-121 b revealed by rotational transits detected with JWST», Nature Astronomy, 2026년 6월 11일. DOI: 10.1038/s41550-026-02887-6

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