지구의 화산암으로 외계 행성의 비밀을 풀다

코넬 대학 연구팀이 지구의 뜨거운 맨틀에서 관찰되는 화학적 과정을 탐구하여, 외계행성의 구성을 밝히고 물의 존재 증거를 찾는 데 도움이 될 현무암 기반의 분광 서명 라이브러리를 개발하기 시작했다.

에스테반 가젤 공학 교수는 "지구의 맨틀이 녹으면 현무암이 생성된다"고 말했다.

현무암은 태양계 전체에서 발견되는 회색빛 검은색 화산암으로, 지질학적 역사의 주요 기록자이다.

그는 "화성의 맨틀이 녹았을 때도 현무암이 생성되었고, 달은 대부분 현무암으로 구성되어 있다"며 "우리는 지구에서 현무암 물질을 실험하여, 결국 제임스 웹 우주 망원경 데이터를 통해 외계행성의 구성을 밝혀낼 것이다"라고 말했다.

가젤과 에밀리 퍼스트(현재 미네소타주 매칼레스터 대학 조교수)는 11월 14일 네이처 천문학에 '현무암질 암석 외계행성의 중적외선 스펙트럼'이라는 논문을 발표했다.

가젤은 "이러한 암석을 생성한 과정과 그 분광학적 서명을 기록하는 방법을 이해하는 것이 라이브러리를 개발하는 첫 단계"라고 말했다.

 

 

외계행성의 물의 흔적을 찾아서: 현무암을 통한 단서

코넬 대학 연구팀은 대부분의 외계행성이 현무암을 생성할 것으로 예측하고 있다.

이는 모항성의 금속 함량으로 인해 맨틀에 철-마그네슘 실리케이트가 형성되고, 이것이 녹으면 상평형에 따라 현무암질 용암이 생성될 것이기 때문이다.

이러한 현상은 우리 태양계뿐만 아니라 은하 전체에서도 흔하게 나타날 것으로 예상된다.

연구팀은 제임스 웹 우주 망원경의 중적외선 분광계가 감지할 수 있는 분광 서명을 위해 15개의 현무암 샘플의 방사율을 측정했다.

현무암 용암이 외계행성에서 분출한 후 식으면, 굳어져 지구에서는 용암으로 알려진 고체 암석이 된다.

이 암석은 물과 상호작용하여 새로운 수화 광물을 형성할 수 있으며, 이러한 광물은 적외선 스펙트럼에서 쉽게 식별할 수 있다.

이러한 변형된 광물은 각섬석(수화 실리케이트)이나 뱀장석(또 다른 수화 실리케이트)이 될 수 있다.

연구팀은 현무암 샘플 간의 작은 분광 차이를 검토하여, 이론적으로 외계행성에 과거에 표면수나 내부의 물이 존재했는지 여부를 판단할 수 있을 것으로 기대한다.

물의 증거는 즉각적으로 나타나지 않으며, 이러한 유형의 검출을 사용하기 전에 추가적인 연구가 필요하다.

제임스 웹 우주 망원경이 수십에서 수백 시간 동안 광년 떨어진 하나의 시스템에 초점을 맞추고, 데이터를 분석하는 데 더 많은 시간이 걸릴 것이다.

 

 

외계행성의 표면 탐사: 컴퓨터 모델링과 실제 데이터의 결합

연구팀은 가설을 시뮬레이션하고 15가지 서로 다른 서명을 고려하기 위해 초지구급 외계행성 LHS 3844b의 데이터를 활용했다.

이 행성은 지구에서 약 48광년 떨어진 적색왜성을 공전하고 있다.

니콜 루이스 천문학 부교수 연구실의 이샨 미쉬라는 퍼스트의 분광 데이터를 모델링하는 컴퓨터 코드를 작성하여, 다양한 외계행성 표면이 JWST에 어떻게 보일지 시뮬레이션했다.

루이스는 모델링 도구가 처음에는 다른 용도로 사용되었다고 말했다.

"이샨의 코딩 도구는 원래 태양계의 얼음 위성 연구에 사용되었습니다. 이제 우리는 태양계에서 배운 것을 외계행성으로 전환하려고 노력하고 있습니다."

퍼스트는 "목표는 특히 행성 LHS 3844b를 평가하는 것이 아니라, 향후 JWST와 다른 관측소에서 관측할 수 있는 가능성 있는 범위의 현무암질 암석 외계행성을 고려하는 것이었다"고 말했다.

연구팀은 외계행성의 경우, 암석 표면의 탐사가 주로 단일 데이터 포인트, 즉 과학 문헌에서 한 종류의 화학적 증거만 발견하는 것으로 제한되어 왔지만, 관측자들이 JWST를 활용함에 따라 다중 구성 요소로 변화하고 있다고 말했다.

 

 

외계행성의 지질학적 특징을 밝히다: 광물학적 서명의 중요성

연구팀은 광물학적 구성과 전체적인 화학 조성, 예를 들어 암석에 포함된 실리콘, 알루미늄, 마그네슘의 양 등과 관련된 서명을 분석하여 암석이 형성된 조건에 대해 더 많은 정보를 얻을 수 있다.

퍼스트는 "지구에서 해저 심해의 해령에서 분출하는 현무암과 하와이와 같은 해양섬에서 분출하는 현무암을 비교하면 전체적인 화학 조성에서 약간의 차이를 발견할 수 있다"며 "하지만 비슷한 전체적인 화학 조성을 가진 암석이라도 다른 광물을 포함할 수 있으므로, 이 두 가지 특성 모두 중요하게 검토해야 한다"고 말했다.

퍼스트, 가젤, 루이스, 미쉬라 외에도, 공동 저자로는 노스이스턴 대학의 조나단 레타이 '23, 국립표준기술원에서 은퇴한 물리학자 레너드 한센 박사 '85가 있다.

루이스는 코넬대학교 칼 세이건 연구소의 교수 펠로우이다.

이 연구는 국립과학재단, 국립표준기술원, 하이싱-시몬스 재단/51 페가시 b 펠로우십의 지원을 받았다.