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11시간 들여다본 WISE 0855, 물구름과 대기의 변화를 드러내다

제임스웹은 WISE 0855를 11시간 동안 15분 간격으로 관측했다. 일부 파장에서 밝기가 최대 10% 변했고, 가장 큰 변화는 일산화탄소 흡수 신호와 관련됐다. 연구진은 스펙트럼 변화를 물구름의 두께 변화와 대기 깊은 곳에서 올라온 가스의 변화로 해석했다.

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연구 답변

주요 시사점

제임스웹은 WISE 0855를 11시간 동안 15분 간격으로 관측했다. 일부 파장에서 밝기가 최대 10% 변했고, 가장 큰 변화는 일산화탄소 흡수 신호와 관련됐다.
연구진은 스펙트럼 변화를 물구름의 두께 변화와 대기 깊은 곳에서 올라온 가스의 변화로 해석했다. 구름을 직접 찍은 사진이 아니라 스펙트럼과 대기 모델에 근거한 결과다.
관측 신호는 약 5.4 5.6시간 주기를 시사하지만, 과거 스피처 관측에서는 약 9시간이라는 결과가 나왔다. 구름이나 대기 흐름이 빛을 바꿀 수 있어 자전 주기는 아직 불확실하다.

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약 7.5광년 떨어진 갈색왜성 WISE 0855는 표면 온도가 약 265켈빈(섭씨 약 영하 8도)에 불과한, 알려진 갈색왜성 가운데 가장 차가운 천체다. 제임스웹 우주망원경은 이 천체를 11시간 동안 관측하며 대기에서 벌어지는 변화를 추적했다. 그 결과는 WISE 0855의 적외선 빛이 시간에 따라 달라지며, 그 변화가 고르지 않은 물구름과 대기 가스의 움직임에 함께 연결돼 있음을 보여준다. 9 13

연구진은 이를 태양계 밖 천체에서 두께가 변하는 물구름을 확인한 첫 사례라고 소개했다. 다만 망원경이 구름의 모습을 직접 촬영한 것은 아니다. 파장별 빛의 변화를 분석하고 대기 모델과 비교해 구름과 가스의 변화를 추론한 결과다. 9 13

15분마다 얻은 빛의 ‘지문’

브리트니 마일스 애리조나대 스튜어드 천문대 연구팀은 2023년 12월 2일, 제임스웹의 근적외선 분광기(NIRSpec)로 WISE 0855의 스펙트럼을 약 15분 간격으로 기록했다. 스펙트럼은 빛을 파장별로 나눈 일종의 ‘빛의 지문’으로, 대기 속 물질과 상태를 파악하는 데 쓰인다.

관측 도중 일부 파장에서 밝기가 최대 10% 변했다. 가장 두드러진 변화는 일산화탄소 흡수 신호에서 나타났다. 이는 모든 파장의 밝기가 일괄적으로 10%씩 달라졌다는 뜻은 아니다. 13

구름 변화와 대기 깊은 곳의 가스 변화

파장에 따라 살펴볼 수 있는 대기의 성분과 깊이가 다르다. 연구진은 시간에 따라 달라진 스펙트럼의 일부를 상층 대기에 고르지 않게 분포한 물구름의 두께 변화로 해석했다. 천체가 자전하면서 구름이 많은 영역과 적은 영역이 번갈아 시야에 들어왔을 가능성이 있다는 것이다. 13

한편 일산화탄소의 변화와, 가능성이 제기된 포스핀의 변화는 대기 내부의 수직 혼합을 가리킬 수 있다. 대류가 가스를 위쪽의 더 차가운 층으로 끌어올리면, 화학 반응이 그 가스를 다시 평형 상태로 되돌리기 전에 대기 조성이 달라질 수 있다. 이런 상태를 ‘비평형 화학’이라고 부른다. 구름과 각 가스가 관측 변화에 얼마나 기여했는지는 대기 모델에 따라 달라질 수 있어, 세부 해석에는 불확실성이 남아 있다. 13

새로 확인한 것은 ‘구름의 존재’보다 ‘변화’

WISE 0855의 밝기가 변한다는 사실은 이전 관측에서도 드러났다. 앤드루 스케머 연구팀은 2016년 제미니 노스 망원경으로 얻은 스펙트럼에서 물구름의 증거를 제시했다. 하지만 당시 관측이나 초기 밝기 측정만으로는 구름의 두께가 시간에 따라 어떻게 바뀌는지 상세히 추적하기 어려웠다. 이번 제임스웹 관측은 시간에 따라 얻은 여러 스펙트럼을 비교해 그 변화를 살펴봤다는 점에서 한 걸음 더 나아갔다. 스케머는 이번 연구의 공동저자이기도 하다. 10 13 16

‘하루’는 몇 시간일까

WISE 0855의 자전 주기는 아직 확정되지 않았다. 제임스웹 자료에서 나타난 변화는 약 5.4~5.6시간의 시간 척도를 시사하지만, 과거 스피처 우주망원경 관측에서는 약 9시간이라는 결과가 나왔다. 빛의 변화 주기가 곧 천체의 자전 주기라고 단정하기 어려운 이유는 구름뿐 아니라 바람이나 대기파도 움직이고 변하기 때문이다. 11시간 관측만으로는 이런 효과를 자전과 분리하기에 충분한 반복 신호를 얻지 못했을 수 있다. 13 16

연구진은 여러 날짜에 걸쳐 각각 20시간이 넘는 관측을 하면 지속적인 자전 신호와 움직이는 날씨를 구분하는 데 도움이 될 것으로 본다. 또 대기 깊이에 따라 다르게 반응하는 파장들을 비교하면, 대기가 층별로 어떻게 움직이는지 3차원에 가깝게 파악할 수 있다. 13 16

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